Controllo non lineare di una struttura flessibile

Non-linear behavior is present in many mechanical system operating conditions, especially if non-small oscillations are considered. In these cases, in order to improve the vibration control performances achievable with the linearization of the equations of motion in a given equilibrium point, a common engineering practice is to design the control system on a set of linearized models, for certain operating conditions. Then the gain-scheduling allows to change the parameters of the control law according to the current working condition increasing the system stability too. However more recently new control logics directly applicable to the systems in non-linear form, such as the sliding-mode control, have been developed. The aim of this thesis is to present different nonlinear control system and to compare their performances, both numerically and experimentally, with the standard linearized approaches. In particular a boom formed by three carbon fiber flexible segments and actuated by three electrical motors has been designed to test the proposed logics. The numerical simulations are carried out through a co-simulation between the MSC/Adams and the MATLAB/Simulink commercial software. At the beginning a system identification technique to define the state space model for the gain-scheduling and the nonlinear model for the sliding-mode is applied. Then the control laws for the nonlinear motion of the structure are tested on different system movements.

Molti sistemi meccanici hanno una dinamica non lineare, soprattutto se non si considerano soltanto piccole oscillazioni dalla posizione di equilibrio. In questi casi, per migliorare le prestazioni del sistema di controllo di vibrazioni raggiungibili con la linearizzazione delle equazioni di moto nell’ intorno di un punto di equilibrio, la comune pratica ingegneristica è di progettare il sistema di controllo su un set di modelli linearizzati, per alcune condizioni operative. L’ approccio del gain-scheduling permette quindi di modificare i parametri della legge di controllo in base alla condizione operativa corrente, aumentando anche la stabilità del sistema. Tuttavia sono state sviluppate recentemente nuove logiche di controllo, come lo sliding-mode control, direttamente applicabili ai sistemi in forma non lineare. L’ obiettivo di questa tesi è presentare diversi controlli non lineari e paragonarne le performances con gli approcci di linearizzazione standard. In particolare per testare le logiche proposte, sia numericamente sia sperimentalmente, è stata progettata una struttura costituita da tre bracci flessibili in fibra di carbonio e attuati da tre motori elettrici. Le simulazioni numeriche sono state effettuate attraverso una co-simulazione tra i software commerciali di MSC/Adams e the MATLAB/Simulink. Inizialmente è stata applicata una tecnica di identificazione per definire un modello nello spazio di stato per il gain-scheduling e uno non lineare per lo sliding-mode. In seguito sono state testate le leggi di controllo per il moto non lineare della struttura.