RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Materiali Magneto-Elastici e Sensori Optoelettronici: Integrazione di Tecnologie per la Realizzazione di Attuatori e Sensori "Smart".

Università di riferimento

Seconda Università degli Studi di NAPOLI - INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE - CASERTA(CE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alberto CAVALLO

Descrizione

Da quanto detto in precedenza si evince che lo sviluppo del progetto richiede competenze molto specifiche e diversificate nel campo dell'ingegneria e della fisica, che possiamo sinteticamente raggruppare in due filoni tematici strettamente interconnessi:
• Analisi fisica e modellistica del materiale attivo che costituisce l'attuatore: essa riguarda la rilevazione sperimentale delle proprietà del materiale attivo, nonché lo sviluppo di modelli fisici o fenomenologici dei materiali stessi. Inoltre, un'ulteriore analisi del dispositivo nel suo insieme, comprensivo dei dispositivi di misura in fibra ottica "immersi" consente di definire le specifiche del sistema di controllo.
• Definizione delle strategie di controllo, che, sulla base di specifiche definite in precedenza, deve sviluppare le tecniche più adeguate ed efficienti per realizzare il controllo (monovariabile o multivariabile, locale o distribuito) del singolo dispositivo MST e di un insieme di dispositivi, sintetizzando le conoscenze sviluppate nell'area tematica riguardante la modellistica del materiale, con particolare riferimento alla compensazione della non linearità e dell'isteresi ed al comportamento del dispositivo nel suo insieme.
L'unità di ricerca della Seconda Università di Napoli contribuirà ad entrambi i filoni tematici con una serie di attività più avanti dettagliate. I temi di ricerca che saranno affrontati in ciascun filone, possono così riassumersi. Riguardo al primo aspetto, quello modellistica, l'unità di ricerca può certamente contribuire con specifiche competenze riguardanti la fase di identificazione parametrica dei modelli fisici o fenomenologici messi a punto e di integrazione degli stessi in simulatori numerici di sistemi di controllo che fanno uso di dispositivi MST. Il secondo tema, la compensazione e il controllo del dispositivo, è sicuramente di interesse specifico dell'unità di ricerca, che può dare un significativo contributo alla concezione e alla messa a punto di strategie di controllo innovative per dispositivi intelligenti; in particolare nuove strategie di controllo utilizzabili con dispositivi capaci di "self-sensing" saranno applicate ai dispositivi in esame; sarà inoltre curata la realizzazione di controllori embedded nel singolo dispositivo con implementazione delle strategie di controllo su microcontrollore.
L'unità della Seconda Università di Napoli sarà quindi coinvolta nelle Fasi 1, 3, 4 e 5, nelle quali svolgerà le attività di seguito dettagliate.
• Fase 1: istruttoria preliminare
Oltre che all'attività di ricerca bibliografica sullo stato dell'arte riguardo le proprietà e le possibili applicazioni di materiali MST, l'unità di ricerca contribuirà alla definizione delle caratteristiche dei dispositivi da realizzare (archetipo) e delle specifiche di un sistema di controllo per il controllo delle vibrazioni che faccia uso dell'attuatore MST.
• Fase 3: modellistica
La prima attività che vedrà impegnata l'unità di ricerca, riguarda la fase di modellistica del materiale MST da utilizzare per lo sviluppo dell'archetipo di attuatore. L'intervento in tale fase dell'unità che dovrà sviluppare le strategie di controllo è di fondamentale importanza in quanto il prodotto di tale fase sarà un simulatore in ambiente MATLAB/SIMULINK in cui andrà integrata successivamente anche la legge di controllo. Inoltre, si interverrà anche sulla scelta dei modelli più opportuni in base ai quali progettare l'algoritmo di controllo, che sono generalmente diversi da quelli di dettaglio orientati invece a descrivere il più accuratamente possibile il processo fisico da controllare. I modelli sviluppati ai fini del controllo riguarderanno la riproduzione del comportamento isteretico del materiale e saranno basati su operatori di tipo Preisach, per i quali l'unità ha già messo a punto tecniche efficienti di identificazione neuro-fuzzy. Naturalmente, dovendo sviluppare attuatori veloci, in tali modelli andranno inclusi anche effetti di tipo dinamico che danno luogo a comportamenti diversi al variare della frequenza di funzionamento del dispositivo e che possono influenzare, oltre che le prestazioni dell'attuatore, anche la stabilità del sistema a ciclo chiuso. In tale ambito sarà essenziale il contributo delle altre unità operative alla modellistica del materiale in condizioni di funzionamento dinamico e soprattutto alla modellistica dell'interazione magneto-elastica, la quale può dare luogo a fenomeni di risonanza di importanza cruciale nello sviluppo di un nuovo attuatore ultra-veloce. In tale fase, i modelli verranno messi a punto oltre che su dati sperimentali forniti dall'unità operativa di Torino in collaborazione con l'Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris, anche sulla base di misure effettuate su di un attuatore MST della Energen Inc. già disponibile presso il Laboratorio di Automatica della Seconda Università di Napoli. Tale attuatore è dotato, infatti, di un sensore di microspostamento ad alta risoluzione e di un'opportuna unità di alimentazione che consente la misura del campo magnetico di eccitazione oltre che del flusso magnetico cui è sottoposto il materiale attivo su cui è basato l'attuatore.
Le misure di spostamento saranno anche rese disponibili come "uscite" dei sensori in fibra ottica curati dall'Università del Sannio; queste misure permetteranno di ottenere elevate precisioni di posizionamento necessarie ad impieghi in ambito "micro-positioning", grazie ad opportune strategie di controllo. Le acquisizioni saranno effettuate con schede di acquisizione ad alta risoluzione e i dati saranno elaborati in ambiente MATLAB, nel quale sarà sviluppato il simulatore in collaborazione con l'Università del Sannio. La validazione dei modelli messi a punto sarà eseguita anche su altri attuatori MST di tipo inerziale e risonante disponibili sempre presso il Laboratorio di Automatica, frutto di precedenti progetti di ricerca.
• Fase 4: compensazione e controllo
In tale fase andranno innanzitutto fissate le specifiche del sistema di controllo e le grandezze da controllare. In particolare, si farà riferimento ad un attuatore controllato in posizione e ad un attuatore controllato in forza. Quindi occorrerà definire le specifiche dell'amplificatore di potenza più opportuno e, se necessario, si provvederà a progettare e sviluppare amplificatori dedicati che soddisfino le esigenze richieste dalle applicazioni test.
Una volta stabilite con chiarezza le specifiche del sistema di controllo e degli amplificatori di potenza, si potrà passare alla scelta della strategia di controllo più adatta alla singola applicazione test. In ogni modo, il primo passo da effettuare consisterà nella realizzazione della compensazione della non linearità che sarà certamente presente nell'attuatore, con l'obiettivo di rendere l'attuatore il più possibile lineare, in modo da minimizzare le cause di limitazione della banda del sistema a ciclo chiuso (possibilità di cicli limite, effetti di ritardo, distorsione del segnale di controllo con eccitazione di dinamiche non modellate). Le leggi di controllo prodotte saranno testate prima in simulazione sui modelli di dettaglio messi a punto nella fase precedente e poi potranno essere validate sperimentalmente tramite l'adozione di sistemi di prototipazione rapida dSPACE già disponibili presso il Laboratorio di Automatica dell'unità di ricerca. Tali sistemi consistono in potenti schede di acquisizione dotate anche di notevoli capacità di calcolo grazie alla presenza di processori DSP o Power-PC, il tutto integrato con l'ambiente MATLAB/SIMULINK grazie all'uso del Real-Time Workshop che consente la generazione automatica di codice ottimizzato per l'esecuzione in tempo reale.
• Fase 5: dimostratori
Il primo passo di tale fase sarà di considerare il problema dell'implementazione su hardware commerciale dell'algoritmo proposto, in altre parole, occorrerà verificare se l'algoritmo di compensazione della non linearità, definito al passo precedente assieme alla strategia di controllo in forza o in posizione, sia idoneo ad essere implementato su dispositivi single-chip da integrare nel dispositivo. A tale scopo esso andrà valutato sotto l'aspetto del carico computazionale e del fabbisogno di memoria, oltre che dal punto di vista delle prestazioni. Infatti, uno degli obiettivi del presente progetto è di orientare lo sviluppo della tecnologia dei materiali MST per la realizzazione di dispositivi "intelligenti", vale a dire sistemi integrati che comprendono il materiale, la sensoristica, l'elettronica di potenza, di condizionamento di segnale e quella di controllo. Il raggiungimento di tale obiettivo è sicuramente irrinunciabile ai fini dell'effettivo sviluppo di questa tecnologia, se si vuole che il numero delle applicazioni della stessa cresca in un prossimo futuro. Per poter rendere concrete le possibilità di integrazione in un unico dispositivo dell'intelligenza, sarà necessario rivolgersi a dispositivi di calcolo single-chip, grazie alla loro provata affidabilità e ai costi contenuti. In tale fase bisognerà quindi valutare gli elementi descritti sopra ed eventualmente fare uso di strategie di riduzione di ordine e di complessità per pervenire ad un algoritmo ammissibile dal punto di vista tecnologico. Ovviamente gli algoritmi così "semplificati" vanno di nuovo testati mediante il simulatore MATLAB/SIMULINK sviluppato in precedenza.
L'unità di ricerca svolgerà tale fase del lavoro in collaborazione con l'unità del Sannio, partendo dalla scelta del dispositivo di controllo più adatto alle varie applicazioni test, mediante una fase di confronto tra i vari modelli disponibili sul mercato. L'offerta attuale di microcontrollori sul mercato è oggi molto variegata. Si va da potenti sistemi a 32 bit, che integrano capacità di Signal Processing evolute, capaci memorie ad accesso rapido "on-board", convertitori analogico/digitali con tempi di conversione dell'ordine dei microsecondi ed elevata risoluzione, canali di comunicazione seriale e/o dedicati, fino ai più semplici (ed economici) dispositivi a 8 bit, con limitate risorse di memoria, risoluzione nella conversione relativamente modesta e un solo tipo di canale di comunicazione. Contestualmente alle varie scelte, occorrerà inoltre definire l'architettura funzionale e quella fisica del sistema di controllo.
Eseguita tale scelta, si passerà alla fase dell'implementazione, in cui sarà necessario un primo periodo di studio e training sul sistema di sviluppo del particolare dispositivo di calcolo scelto. Una volta acquisita sufficiente dimestichezza con lo strumento, si provvederà alla sua programmazione e, di seguito, al test della legge di controllo in real-time sull'attuatore reale, in collaborazione con tutte le altre unità di ricerca, dimostrandone il funzionamento anche in un'applicazione di controllo delle vibrazioni di una trave. Infine, l'unità della Seconda Università di Napoli, partendo dal risultato finale di questa fase, passerà poi allo studio e al progetto di un sistema di controllo distribuito per il coordinamento di più dispositivi, analizzando soluzioni con PC e PLC industriali usati come supervisori. Ciascuno dei compiti su menzionati sarà oggetto di rapporti tecnici periodici aventi sia lo scopo di rendicontare l'attività di ricerca svolta, sia lo scopo di scambiare attivamente le informazioni e i risultati fra le unità operative partecipanti al progetto.