Approccio modale al controllo attivo di vibrazioni con attuatori magnetostrittivi

In the field of mechanical systems and structures, control techniques developed in state coordinates are based on algorithms and models that often can not incorporate the typical expertise of the application field. In active vibration control, in fact, the dynamical simulations and the design of controllers are preferably led using modal coordinates instead of state variables. The objective of these controllers is not the minimization of a functional, as in the case of a trajectory tracking, but the introduction of damping into the system, without changing the natural frequencies and the modes of vibration, not to influence the system fatigue strength. This work proposes the review of modal control algorithms applied to mechanical systems, underlining their limits and objectives by acting on the characteristics of the modal damping matrix of the controlled system. This analysis allows to review all the peculiarities of the synthesis of a control system on continuous structures (spillover, controllability, observability, stability) and to efficiently manage them. Control forces are exerted through magnetostrictive actuators (MA) which can deliver high-output forces and relatively high displacements (compared to other emerging actuator technologies) and can be driven in a wider frequency range: these characteristics make them suitable for a variety of vibration control applications. To use this technology, however, an accurate knowledge of the dynamics of such actuators is required. The work introduces a linear model of magnetostrictive actuators, held in a range of frequencies below 2 kHz useful in real time application, such as active vibration control (AVC). The hypothesis supporting the linearity of the systems are discussed and the theoretical model is presented. Finally the model is validated by testing two different models of magnetostrictive actuators and comparing experimental and theoretical results.

Nel campo dei sistemi meccanici e delle strutture, le tecniche di controllo sviluppate nello spazio di stato sono basate sul algoritmi e modelli che spesso non tengono conto delle competenze delle specifiche applicazioni. Nel controllo attivo delle vibrazioni, si preferisce infatti condurre la simulazione dinamica e la progettazione del controllo usando le coordinate modali al posto delle variabili di stato. L'obiettivo di questi controlli non è la minimizzazione di un funzionale, come nel caso dell'inseguimento di traiettorie, ma l'introduzione di smorzamento nel sistema, senza modificare le pulsazioni naturali e i modi di vibrare, nè influenzare la resistenza a fatica del sistema. Questo lavoro propone la revisione degli algoritmi del controllo modale applicato a sistemi meccanici, analizzando i limiti e i vantaggi evidenziati della matrice di smorzamento del sistema controllato. Quest'analisi permette di studiare tutte le peculiarità della sintesi del controllo di sistemi continui (spillover, controllabilità, osservabilità, stabilità) e gestirle efficacemente. Le forze di controllo vengono esercitate da attuatori magnetostrittivi (MA), i quali sono in grado di produrre forze intense e spostamenti relativamente elevati (comparati con altre tecnologie emergenti di attuatori) e possono essere impiegati in un più ampio range di frequenze: queste caratteristiche li rendono adatti per una grande varietà di applicazioni. L'impiego di questa tecnologia, comunque, richiede una conoscenza accurata della dinamica degli attuatori magnetostrittivi. In questo lavoro si introduce un modello lineare degli stessi valido in un range di frequenze inferiori a 2 kHz, utile nelle applicazioni real-time come il controllo attivo delle vibrazioni (AVC). Vengono discusse le ipotesi a supporto della linearità del sistema e viene presentato un modello teorico. Infine, il modello è stato validato, testando due differenti versioni di attuatori e comparando i risultati con quelli teorici.