Metodologie di stima e controllo per sistemi di automazione degli accessi

In this thesis, innovative control and estimation algorithms that cope with challenges in motion control applications are developed. Access automations are classical motion systems used in several residential or public areas to prevent unwanted access or to regulate traffic flow. Due to the increasing global industrial competition for performance and reliability, the research is becoming highly multidisciplinary, with an ever increasing integration of mechanics, electronics, and information technology. The first part of the research work focuses on the modeling and identification of these motion systems, which include the power converter, electric motor, drive, mechanical transmission and load. The dynamics of these systems are usually non-linear and non-regenerative motor drives are employed due to low production costs, resulting in greater complexity in the design of the control system. Several models are developed for the considered applications and an identification procedure is proposed, which is tested on a custom made laboratory system. In addition, an approach to virtual prototyping is proposed with the aim to reproduce and analyze the effects of design choices. This is particularly useful to test different control techniques, improving quality and reducing production costs. The second part of the research concerns the development of control strategies with the aim to improve the performance of the industrial products. Nonlinear actuator phenomena, such as saturations, dead-zones, backlash or sampling/quantization effects, appear frequently in mechatronic systems and have proved to be a source of performance degradation and closed-loop instability. Robust control design techniques are fundamental to take into account uncertain model parameters within a broad range of real situations, e.g. due to changes in the environmental conditions or wear of the mechanical components. Moreover, feedback linearization is used to compensate for the nonlinear dynamics of the motor drive and feedforward/feedback architectures, whose feedback term is tuned via linear matrix inequality formulation, are proposed. The developed control methods have been tested on the industrial devices and the experimental results confirm the effectiveness of the proposed methods, showing improvements in the performance of the specifically considered applications. The thesis has been developed as industrially driven research activity in collaborations with BFT S.p.a. R&D department located in Schio, Vicenza, Italy.

In questa tesi vengono sviluppati algoritmi di controllo e stima innovativi per applicazioni di controllo del movimento. I sistemi di automazione per gli accessi sono classici sistemi di movimentazione utilizzati in diverse aree residenziali o pubbliche per impedire accessi indesiderati o per regolare il flusso del traffico. A causa della crescente competizione industriale globale riguardante le prestazioni e l'affidabilità, la ricerca sta diventando altamente multidisciplinare, con una sempre maggiore integrazione tra meccanica, elettronica e informatica. La prima parte del lavoro di ricerca si focalizza sulla modellizzazione e identificazione di questi sistemi di movimento, che comprendono il convertitore di potenza, l'azionamento, il motore elettrico, la trasmissione meccanica e il carico. Le dinamiche di questi sistemi sono solitamente non lineari e vengono impiegati azionamenti non rigenerativi per contenere i costi di produzione, causando tuttavia una maggiore complessità nella progettazione del sistema di controllo. Per le applicazioni considerate vengono sviluppati diversi modelli e viene proposta una procedura di identificazione, che viene testata su un sistema di laboratorio appositamente costruito. Inoltre, viene proposto un approccio alla prototipazione virtuale, il cui obiettivo è quello di riprodurre e analizzare gli effetti delle scelte di progettazione. Quest’ultimo risulta particolarmente utile per testare le diverse tecniche di controllo adottate migliorando la qualità e riducendo i costi di produzione. La seconda parte della ricerca riguarda lo sviluppo di strategie di controllo con l'obiettivo di migliorare le prestazioni dei prodotti industriali. Fenomeni non lineari di attuazione come saturazioni, dead-zones, giochi meccanici o effetti di campionamento/quantizzazione, compaiono frequentemente in questi sistemi meccatronici e si sono rivelati fonte di degrado delle prestazioni e instabilità del sistema controllato. Tecniche di controllo robuste sono fondamentali per tenere in considerazione i parametri incerti del modello all'interno di un'ampia gamma di situazioni reali, ad es. a causa di variazioni delle condizioni ambientali o usura dei componenti meccanici. Inoltre, un metodo basato su feedback linearization viene utilizzato per compensare la dinamica non lineare dell'azionamento del motore e vengono proposte architetture feedforward/feedback, il cui termine di feedback è tarato tramite una formulazione basata su linear matrix inequality. I metodi di controllo sviluppati sono stati testati sui dispositivi industriali e i risultati sperimentali confermano l'efficacia dei metodi proposti, mostrando un miglioramento delle prestazioni delle applicazioni considerate. La tesi è stata sviluppata come attività di ricerca industriale in collaborazione il dipartimento R&D di BFT S.p.a. situato a Schio, Vicenza, Italia.