RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Miglioramento della captazione nei treni ad alta velocità mediante sviluppo di pantografi attivi e di tecniche di diagnostica non invasiva

Università di riferimento

Università degli Studi di CAGLIARI - INGEGNERIA ELETTRICA ED ELETTRONICA - CAGLIARI(CA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Elio USAI

Descrizione

L'attività dell'unità di Cagliari verterà principalmente sullo sviluppo di controllori a struttura variabile (VSC) per pantografi ferroviari, in presenza di elevata incertezza nei parametri e nel modello. Tali controllori dovranno essere configurabili mediante stime grossolane della dinamica e della struttura del sistema controllato. Partendo dai risultati conseguiti nell'ambito di precedenti attività di ricerca, verranno analizzate le prestazioni di uno schema di controllo output-feedback non lineare robusto basato su Sliding Modes di Ordine Superiore (HOSM) rispetto a di dinamiche non modellate di attuatori e sensori, nonché le possibilità di riconfigurazione dello stesso controllore per il controllo di diverse tipologie di pantografi (simmetrico, asimmetrico, etc.). Per far ciò si ricorrerà sia a tecniche di analisi approssimate, ad esempio basate sul metodo della Funzione Descrittiva, che a tecniche basate sul principio di separazione spettrale tra modi lenti e modi veloci. Al fine di limitare la sensibilità del sistema di controllo rispetto al parametro "grado relativo", si pensa di poter sviluppare delle tecniche di pre-compensazione dell'azione di controllo in modo che la presenza di dinamiche non modellate sia equivalente ad una singular perturbation della dinamica desiderata del sistema a ciclo chiuso. Tale fase di studio ed analisi verrà portata avanti inizialmente in modo autonomo focalizzando l'attenzione sulle caratteristiche del controllore, ricorrendo a metodologie individuabili nella letteratura tecnica ed eventualmente adattandole o sviluppandone di nuove. Successivamente, si interagirà con le altre unità partecipanti al progetto al fine di individuare le ulteriori possibilità di affinamento. In particolare con l'unità di Milano si valuteranno l'influenza del modello dell'interazione pantografo catenaria sulla struttura e sulla parametrizzazione del controllore, mentre con l'unità di Firenze si cercherà di migliorare l'integrazione tra caratteristiche dinamiche della struttura meccanica del pantografo e controllore. L'estensivo uso di simulazioni al calcolatore faciliterà il lavoro di analisi dei risultati e darà indicazioni su possibili sviluppi, anche in funzione del tipo di modello considerato. Gli effetti delle tecniche di precompensazione saranno anche analizzate e verificate anche mediante test di laboratorio su semplici sistemi di attuazione. La durata di tale fase è stimata in 12 mesi concentrati principalmente nel primo anno, per un costo stimato di 16000 Euro. È presumibile che una parte residuale dell'attività debba essere svolta in parallelo alle attività successive in funzione dei risultati ottenuti. Le problematiche connesse all'implementazione su microprocessore degli schemi di controllo messi a punto verranno analizzate dopo il primo semestre di attività. Una prima indicazione sarà sicuramente disponibile sulla base delle simulazioni fatte che, utilizzando metodi di integrazione numerica, sono considerabili come una prima implementazione digitale del sistema di controllo. Tuttavia, sarà necessario considerare le caratteristiche dei dispositivi commerciali in termini di massima frequenza di campionamento effettiva, precisione nella conversione A/D e D/A, capacità di elaborazione (Mips). La durata della fase su descritta è stimata in circa 4 mesi, parzialmente sovrapposti alla fase precedente, per un costo stimato di 4000 Euro. A partire dal secondo anno di attività, in collaborazione con l'unità di Catania, si dovrà procedere all'integrazione di tecniche di stima della forza di contatto con i VSC al fine di individuare il miglior compromesso tra requisiti di precisione di regolazione e complessità del sistema di misura, eventualmente utilizzando le proprietà di robustezza rispetto alla propagazione del rumore dei dispositivi di derivazione basati su HOSM. Tale attività sembra particolarmente impegnativa in quanto gli osservatori possono fornire solo una stima, quindi affetta da errore, della variabile da regolare, la forza di contatto, mentre il VSC tende ad imporre la forza di contatto desiderata. L'errore di stima, anche a causa delle oscillazioni della catenaria, potrebbe presentare una caratterizzazione spettrale tale da eccitare modi risonanti del sistema, vanificando quindi l'azione di controllo che, se in controfase, addirittura destabilizzerebbe il sistema. Un obiettivo che si ritiene perseguibile è quello di limitare la capacità forzante del VSC in modo che siano possibili delle variazioni di ampiezza limitata della forza di contatto non bruscamente contrastate dal controllore. Ovvero definire un giusto compromesso tra banda passante del controllore e dell'osservatore in funzione delle caratteristiche modali del sistema pantografo-catenaria. Tale fase durerà circa 5 mesi, per un costo stimato di 5000 Euro. Una volta messe a punto le differenti strutture del sistema di controllo, in funzione delle diverse ipotesi di modello del sistema da controllare, esse potranno essere verificate utilizzando il banco prova messo a punto presso il Politecnico di Milano (banco ibrido di emulazione della catenaria). Si ipotizza che questa fase possa iniziare dopo il primo trimestre del secondo anno di attività, con una durata netta di circa 3 mesi ed un costo di 5000 Euro. È da evidenziare che possono essere presenti sovrapposizioni tra le fasi e quindi i periodi indicati non sono continuativi.