RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e sperimentazione di un sistema di comunicazione ad onde convogliate in impianti elettrici navali

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - INGEGNERIA ELETTRICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Rodolfo Araneo

Descrizione

La ricerca proposta dall’Unità è la progettazione e lo sviluppo di appropriati circuiti di accoppiamento da usarsi nelle comunicazioni ad onde convogliate a larga banda sulle linee di potenza in bassa tensione delle navi.
A causa della preoccupazione riguardo emissioni a radiofrequenza e possibili interferenze, l’iniezione di potenza da parte dei modem da usarsi nelle PLCs è molto limitata. DI conseguenza, se l’impedenza del modem PLC non è adattata entro opportuni limiti all’impedenza del canale di trasmissione vista alla porta di connessione, l’iniezione di potenza risulta ulteriormente diminuita. Questa mancanza di adattamento non solo limita la distanza di comunicazione tra un modem e il successivo (così da aumentarne il numero necessario), ma causa inoltre riflessioni del segnale, ed emissioni a radio frequenza alla porta di connessione. Il problema può essere risolto mediante un opportuno circuito di accoppiamento, conosciuto come coupler, il cui progetto deve essere opportunamente sviluppato.
Il problema dell’adattamento di impedenza è piuttosto noto nella teoria dei circuiti e delle comunicazioni: esso consiste nella definizione di una rete due porte priva di perdite (coupler o equalizzatore) da posizionarsi tra il generatore (modem) e il carico (line di trasmissione) così da massimizzare il trasferimento di potenza in un campo di frequenze assegnato. Le prestazione dell’intero sistema sono usualmente quantificate in termini del guadagno di potenza che è definito come il rapporto tra la potenza trasmessa al carico e la potenza resa disponibile dal generatore. I possibili problemi di accoppiamento sono due: l’accoppiamento singolo quando la rete del generatore si riduce ad equivalente di Thevenin con una semplice resistenza interna in serie, mentre il carico è arbitrario; l’accoppiamento doppio quando si deve studiare il trasferimento di potenza da un generatore con impedenza interna complessa (dipendente dalla frequenza) ad un carico anch’esso complesso (l’accoppiamento doppio può essere visto come generalizzazione dell’accoppiamento singolo).

In questo contesto, l'azione dell'Unità di Roma si articolerà in 5 fasi, all'interno delle 3 fasi definite nel progetto generale e riguarderà principlamente le attività dei tre Gruppi di Lavoro GL1, GL3 e GL7, definiti nel modello A. Le 5 fasi saranno:
1) studio dei PLC couplers disponibili per applicazioni domestiche e classificazione delle loro prestazioni;
2) studio della possibilità di utilizzare questi circuiti di accoppiamento anche in ambienti navali attraverso simulazioni numeriche che ne dimostrino l’efficienza;
3) sviluppo di metodologie teoriche e numeriche innovative per la progettazione di couplers ottimali capaci di massimizzare l’adattamento di impedenza in un campo di frequenze assegnato e, conseguentemente, di massimizzare il trasferimento di potenza tra modem e linea e viceversa;
4) sviluppo e progettazione di un prototipo
5) definizione di un insieme minimo di test necessari alla caratterizzazione del coupler ed esecuzione di questi in una rete in bassa tensione all’interno di una nave.

Nel seguito, le diverse fasi sono descritte sinteticamente per quanto concerne i loro contenuti salienti.

Fase 1. Lo scopo della prima fase della ricerca è lo studio dei PLC couplers disponibili per applicazioni domestiche. La ricerca è di grande interesse poiché in letteratura esiste un gran numero di metodologie mirate all’eliminazione di riflessioni quando l’impedenza del generatore e del carico sono tra loro non adattate (e.g. reti LC a scala, circuiti a sezioni induttive multiple, trasformatori costituiti da linee di trasmissione, trasformatori ad alta permeabilità per accoppiamento su larga banda). Ogni tecnica è presentata in letteratura come capace di portare alla realizzazione di un circuito di adattamento efficiente in un ampio campo di possibili condizioni della linea di segnale, le quali possono oscillare enormemente e in maniera irregolare e che possono differire notevolmente da un punto di installazione ad un altro. La progettazione di un circuito di accoppiamento richiede inizialmente una vasta analisi delle diverse tecniche proposte in letteratura, finalizzata a definirne con chiarezza le prestazioni e ad evidenziarne i possibili problemi, con un particolare pensiero ad una loro possibile applicazione nella rete elettrica di una nave.

Fase 2. Grazie al bagaglio culturale precedentemente acquisito, la seconda fase della ricerca prevede lo studio specifico del possibile utilizzo di couplers pensati per applicazioni domestiche nella rete elettrica in bassa tensione di una nave. La ricerca sarà condotta in stretta collaborazione con l’Unità di Pisa, la quale metterà a disposizione un appropriato modello per la descrizione delle caratteristiche elettriche dei canali di trasmissione forniti da una rete elettrica in bassa tensione di una nave, quali risposta d’ampiezza e di fase, riflessioni e distorsione del segnale, attenuazione e impedenza di ingresso vista al punto di connessione. Utilizzando questo modello, sarà possibile quantificare le prestazioni dei circuiti di accoppiamento per applicazioni domestiche (ottimizzazione dell’adattamento e del trasferimento di potenza, larghezza di banda) attraverso delle simulazioni numeriche, giacché un approccio analitico sarebbe poco proficuo vista la complessità del problema.

Fase 3. Lo scopo della terza fase della ricerca è lo sviluppo di metodologie analitiche e numeriche per la progettazione di circuiti di accoppiamento capaci di massimizzare l’adattamento di impedenza e, conseguentemente, di minimizzare le perdite di inserzione, per l’applicazione di sistemi PLC sulle reti delle navi. Questa fase della ricerca è sicuramente la più impegnativa, giacché diversi problemi richiedono un attento studio per essere risolti.
I metodi per la definizione di un circuito di accoppiamento possono essere classificati principalmente in metodi analitici e metodi numerici.
Negli ultimi anni diversi autori hanno formulato eleganti teorie per la definizione di circuiti di accoppiamento costituiti da induttori e condensatori, e queste teorie hanno costituito la base teorica per lo sviluppo di diverse formule presenti oggi in letteratura. Queste teorie saranno riviste con sguardo critico e miglioramenti saranno proposti per superare alcune delle loro mancanze. Infatti, quando una metodologia basata su di un approccio teorico è utilizzata per risolvere problemi reali, inizialmente i dati misurati del dispositivo fisico su cui si vuole realizzare l’accoppiamento devono essere modellati. Specialmente per quanto concerne problemi ad ampia banda, al fine di pervenire ad una buona approssimazione dei dati, il modello diviene estremamente complesso, contenendo un ampio numero di elementi reattivi. Successivamente si deve scegliere una appropriata funzione di trasferimento, i cui parametri sono incogniti, con la quale si introduce implicitamente la topologia del circuito di accoppiamento. Funzioni di Butterworth o di Chebyshev sono state usualmente impiegate nella letteratura scientifica. Tuttavia queste funzioni sono capaci di trattare soltanto semplici problemi di accoppiamento dove le reti rappresentanti il generatore e il carico sono costituite da pochi elementi reattivi connessi in scala, mentre, se il modello è complicato, la teoria risulta inaccessibile. Successivamente, i parametri incogniti della funzione di trasferimento devono essere determinati per soddisfare le restrizioni imposte sul trasferimento di potenza. A questo punto della trattazione, è usualmente necessario introdurre degli zeri nella funzione di trasferimento per soddisfare le suddette restrizioni, penalizzando drasticamente il guadagno dell’intera struttura adattata e portando alla comparsa, nella fase di sintesi, di induttori mutuamente accoppiati, che non risultano affatto maneggevoli da un punto di vista del calcolo. Persino quando il carico è noto, è possibile notare che gli approcci analitici presentano grandi difficoltà numeriche che, benché in principio risolvibili, all’atto pratico divengono intrattabili, specialmente se il carico contiene auliche induttore, resistore e condensatore. Molte delle teorie sull’accoppiamento in un ampio campo di frequenze conducono a circuiti non ottimizzati, inutilmente complicati e, qualche volta, praticamente irrealizzabili. E’ dunque necessario ricorrere a più sofisticati approcci, quali metodologie miste analitiche e numeriche, che l’Unità ha intenzione di sviluppare in questa fase della ricerca.
Alla luce di quanto detto, appare chiaro che l’utilizzo di approcci numerici assistiti dal computer è una scelta pressoché inevitabile da un punto di vista pratico. Negli ultimi anni, diversi tecniche numeriche sono state sviluppate per affrontare i problemi del singolo e del doppio accoppiamento. I pacchetti software disponibili sono utili sotto molti aspetti poiché mettono a disposizione tecniche di analisi e di ottimizzazione molto sofisticate. Tuttavia essi non sono immuni da inconvenienti. Infatti queste tecniche procedono usualmente attraverso una ottimizzazione diretta degli elementi del circuito di accoppiamento che risulta molto complessa a causa delle relazioni fortemente non-lineari con cui questi elementi sono connessi tra di loro. Inoltre la topologia del circuito deve essere ipotizzata sin dall’inizio, assieme ad una scelta iniziale dei valori dei parametri, la quel deve essere sufficientemente accurata per una rapida convergenza. Per superare queste difficoltà, negli ultimi anni sono state proposte diverse metodologie (real frequency technique, parametric representation of Brune functions, stochastic Gauss-Newton algorithm) che non richiedono alcuna ipotesi riguardo alla topologia del circuito, che tentano di ridurre la complessità di calcolo rispetto a metodi di ottimizzazione diretta e che tentano di migliorare la stabilità numerica della tecnica di estrazione. Anche in questo caso, tuttavia, i metodi proposti passano attraverso una lunga serie di passaggi computazionali molto articolati (fitting dei dati, ottimizzazione non-lineare, approssimazione con metodi stocastici) che, essendo puramente basati su approssimazioni matematiche, fanno perdere la visione fisica del circuito che si sta estraendo.
Grazie ad una lunga esperienza maturata dall’Unità proponente nel campo dello sviluppo di metodologie analitiche e numeriche innovative per l’estrazione di macromodelli circuitali passivi a costanti concentrate, in parte maturata assieme all’Unità di Pisa, si svilupperanno nuove metodologie per l’estrazione di circuiti di accoppiamento ottimali, mettendo a punto un tecnica basata su diversi passi successivi, ma di minima complessità numerica, e senza mai perdere una profonda visione fisica. L’impedenza del canale di trasmissione sarà approssimata con opportune tecniche numeriche, quali la real freqeuncy technique; si estrarrà una approssimazione polinomiale in fratti semplici dell’impedenza attraverso tecniche già in parte sviluppate dall’Unità, si procederà ad una sintesi del circuito definendo solo ora la topologia del circuito, senza alcuna imposizione su di essa; infine si procederà ad una ottimizzazione finale degli elementi del circuito, imponendo i diversi vincoli necessari (e.g. passività).
Il passo finale della procedura richiederà lo sviluppo di tecniche di ottimizzazione intelligenti. Infatti l’unità proponente ha maturato una lunga esperienza riguardo all’Algoritmo Genetico (GA), che è stato applicato per la risoluzione di diversi problemi reali. Tuttavia, il GA presenta diversi aspetti critici i quali suggeriscono l’uso di tecniche più sofisticate quali, ad esempio, il Particle Swarm Optimization (PSO). Diversi studi hanno recentemente messo in evidenza che il PSO è un algoritmo di maggiore efficienza rispetto ai metodi evolutivi classici: è di facile implementazione e non richiede passaggi di combinazione e di selezione per raggiungere la soluzione ottima (i quali possono dare problemi di ristagno su minimi locali). Due sono gli aspetti che fanno del PSO un algoritmo efficiente: ogni particella nello sciame mantiene memoria della soluzione ottimale da lei trovata nel passato (la memoria non è presente nel GA) e tutte le particelle si muovono verso la soluzione ottimale travata dalle loro particelle limitrofe (l’iterazione di gruppo migliora la convergenza del metodo). Alla luce di queste osservazioni, si svilupperà un metodo basato sul PSO per l’ottimizzazione dei valori del circuito di accoppiamento in esame.
In conclusione della terza fase, basandosi sulle metodologie precedentemente sviluppate, la ricerca sarà focalizzata su un ultimo aspetto di notevole interesse: come ottimizzare l’accoppiamento e il trasferimento di potenza in condizioni di tempo-varianza del carico presentato dal canale di trasmissione. Le tecniche di adattamento sviluppate sono state principalmente applicate a sistemi di telecomunicazione per adattare impedenze dipendenti dalla frequenza (generalmente con andamenti regolari) in un campo di frequenza assegnato. Tuttavia l’impedenza del canale di trasmissione vista ad una porta della linea di potenza è spesso dipendente sia dalla frequenza (con andamento fortemente irregolare) che dal tempo; inoltre l’impedanza varia da punto a punto lungo la rete di potenza in bassa tensione. Un circuito di adattamento con parametri fissi lavorerebbe in condizioni ottimali solo per un certo valore di impedenza di carico. E’ stato dimostrato che l’uso circuiti di accoppiamento diversi per differenti condizioni della linea di potenza, può portare a sostanziali miglioramenti nel trasferimento di potenza. Da queste osservazioni, l’Unità proponente svilupperà un circuito di accoppiamento di tipo intelligente il quale sarà in grado di aggiustare i valori dei suoi componenti, mantenendo fissa la topologia, in modo da ottimizzare sempre l’accoppiamento con il carico al variare di esso (in un campo plausibile di valori).La ricerca sarà condotta assieme all’Unità di Pisa che fornirà un appropriato modello per la stima in tempo reale delle caratteristiche elettriche del carico presentato alla porta di connessione dal canale di trasmissione: grazie a esso, sarà possibile modificare in tempo reale i valori del circuito di accoppiamento, massimizzando sempre adattamento e trasferimento di potenza.

Fase 4. Nella quarta fase la ricerca riguarderà la progettazione di un prototipo di circuito di accoppiamento adatto a linee di potenza in bassa tensione di navi. Basandosi sulla ricerca sviluppata, sarà possibile sviluppare un prototipo ottimale per assicurare l’adattamento e il trasferimento di potenza necessarie in un sistema PLC. Il prototipo sarà di particolare importanza per l’Unità di Catania che sarà chiamata a valutare diversi aspetti di compatibilità elettromagnetica (EMC) delle PLC, quali disturbi condotti di modo comune e emissioni radiate da PLC.

Fase 5. L’ultima fase della ricerca sarà concentrata su di una intensa attività sperimentale finalizzata alla verifica di tutti quei modelli e metodologie sviluppate nelle fasi precedenti. Inoltre la sperimentazione avrà lo scopo di identificare un insieme di test rappresentativi per la valutazione delle prestazioni offerte da un circuito di accoppiamento per PLC in ambito navale. Questa ultima fase sarà sviluppata assieme a tutte le Unità coinvolte, giacché richiederà una sperimentazione (condotta in una nave vera) su tutto il sistema PLC sviluppato.