Sviluppo di un simulatore di determinazione d’assetto per un CubeSat operante nel sistema binario Didymos

Questa tesi riguarda l'implementazione e la verifica di alcuni algoritmi di determinazione d'assetto, con l'obiettivo di verificarne le prestazioni e valutarne la possibilità di utilizzo sul ADS del satellite DustCube, operante nel sistema binario Didymos. I filtri si basano sulla combinazione delle misure di diversi sensori, tra i quali star tracker, sensori di Sole, camera a infrarossi e giroscopio. I sensori in questione sono stati modellizzati all'interno di un simulatore implementato in MATLAB/Simulink. L'approccio utilizzato per la determinazione dell'assetto è quelllo di impiegare due differenti filtri: il primo per la calibrazione del giroscopio, il secondo che utilizza i parametri di calibrazione calcolati dal primo per correggere la velocità angolare misurata da giroscopio e determinare l'assetto con un maggiore accuratezza. Le prestazioni dei vari filtri sono state caratterizzate attraverso un'analisi statistica: le simulazioni Monte Carlo. I risultati, nei limiti delle ipotesi fatte, hanno confermato la validità dell'approccio. Per la determinazione effettiva delle prestazioni di questo sistema sull'ADS del DustCube si rimanda ad uno studio di maggior dettaglio.

Modeling and control algorithms for product phasing using smart belts

Nella seguente tesi è descritto il principio di sviluppo di una macchina industriale di alimentazione. Il suddetto sistema dovrà essere installato fra due macchine industriali. L’apparato dovrà mettere al passo e sincronizzare con la macchina a valle i prodotti che arriveranno in input. La macchina ordina gli oggetti usando una serie di nastri trasportatori a velocità regolabile.
Lo sviluppo è stato effettuato al Laboratorio Liam dopo la richiesta dell’azienda Sitma. Sitma produceva già un tipo di sistema come quello descritto in questa tesi. Il deisderio di Sitma è quindi quello di modernizzare la precedente applicazione poiché il dispositivo che le permetteva di effettuare la messa al passo di prodotti era un PLC Siemens che non è più commercializzato. La tesi verterà sullo studio dell’applicazione e la modellazione tramite Matlab-Simulink per poi proseguire ad una applicazione, seppure non risolutiva, in TwinCAT 3.

Sfide alla Geologia: le Opere di Miozzi e Calatrava a Venezia

Secondo la sismologia storica, Venezia non è mai stata colpita in modo diretto da terremoti nel suo immediato sottosuolo, tuttavia ha riportato diversi danni in occasione di terremoti limitrofi. Nella presente tesi è stato studiato il comportamento sotto sisma di due principali opere veneziane: il ponte degli Scalzi (1934) eretto da E. Miozzi e il ponte della Costituzione (2008), disegnato da S. Calatrava. Accoppiando il modello dinamico dei due ponti con lo spettro di risposta del sito, abbiamo riscontrato che il ponte della Costituzione si colloca nel plateau dello spettro, quindi a periodi per i quali l’accelerazione attesa sulla struttura è massima. Questo non depone a favore della sua sicurezza, considerati anche i problemi statici che la struttura presenta. Il ponte degli Scalzi presenta invece una rigidezza tale da non mostrare amplificazione significativa tra il moto alla fondazione e quello della struttura sovrastante. Le misure di microtremore ambientale effettuate sul sottosuolo in prossimità delle fondazioni dei due ponti hanno mostrato che esso amplifica il moto per risonanza a 0.5 Hz. Questa frequenza è sufficientemente lontana da quelle proprie dei due ponti in esame, per cui si può ritenere che non ne influenzi significativamente la dinamica. Infine, abbiamo osservato che i valori di accelerazione verticale misurati sulla sua sommità del ponte della Costituzione, generati principalmente dal traffico pedonale, superano i limiti di comfort proposti dall’Eurocodice EN UNI 1990.

Advanced 4DT flight guidance and control software system

The work presented in this thesis has been part of a Cranfield University research project. This thesis aims to design a flight control law for large cargo aircraft by using predictive control, which can assure flight motion along the flight path exactly and on time. In particular this work involves the modelling of a Boeing C-17 Globemaster III 6DOF model (used as study case), by using DATCOM and Matlab Simulink software. Then a predictive control algorithm has been developed. The majority of the work is done in a Matlab/Simulink environment. Finally the predictive control algorithm has been applied on the aircraft model and its performances, in tracking given trajectory optimized through a 4DT Research Software, have been evaluated.

Development of the Simulation Model for the CoSES Laboratory Test Microgrid in Modelica

Evolution of the traditional consumer in a power system to a prosumer has posed many problems in the traditional uni-directional grid. This evolution in the grid model has made it important to study the behaviour of microgrids. This thesis deals with the laboratory microgrid setup at the Munich School of Engineering, built to assist researchers in studying microgrids. The model is built in Dymola which is a tool for the OpenModelica language. Models for the different components were derived, suiting the purpose of this study. The equivalent parameters were derived from data sheets and other simulation programs such as PSCAD. The parameters were entered into the model grid and tested at steady state, firstly. This yielded satisfactory results that were similar to the reference results from MATPOWER power flow. Furthermore, fault conditions at several buses were simulated to observe the behaviour of the grid under these conditions. Recommendations for further developing this model to include more detailed models for components, such as power electronic converters, were made at the end of the thesis.

Neural Network Based UAV Fault Tolerant Control with Aerodynamic Disturbance Estimation and Compensation

In this thesis, the problem of controlling a quadrotor UAV is considered. It is done by presenting an original control system, designed as a combination of Neural Networks and Disturbance Observer, using a composite learning approach for a system of the second order, which is a novel methodology in literature. After a brief introduction about the quadrotors, the concepts needed to understand the controller are presented, such as the main notions of advanced control, the basic structure and design of a Neural Network, the modeling of a quadrotor and its dynamics. The full simulator, developed on the MATLAB Simulink environment, used throughout the whole thesis, is also shown. For the guidance and control purposes, a Sliding Mode Controller, used as a reference, it is firstly introduced, and its theory and implementation on the simulator are illustrated. Finally the original controller is introduced, through its novel formulation, and implementation on the model. The effectiveness and robustness of the two controllers are then proven by extensive simulations in all different conditions of external disturbance and faults.

Caratterizzazione e progettazione di un attuatore differenziale elastico compatto per la robotica collaborativa

Lo sviluppo della robotica collaborativa, in particolare nelle applicazioni di processi industriali in cui sono richieste la flessibilità decisionale di un utilizzatore umano e le prestazioni di forza e precisione garantite dal robot, pone continue sfide per il miglioramento della capacità di progettare e controllare al meglio questi apparati, rendendoli sempre più accessibili in termini economici e di fruibilità. Questo cambio di paradigma rispetto ai tradizionali robot industriali, verso la condivisone attiva degli ambienti di lavoro tra uomo e macchina, ha accelerato lo sviluppo di nuove soluzioni per rendere possibile l’impiego di robot che possano interagire con un ambiente in continua mutazione, in piena sicurezza. Una possibile soluzione, ancora non diffusa commercialmente, ma largamente presente in letteratura, è rappresentata dagli attuatori elastici. Tra gli attuatori elastici, l’architettura che ad oggi ha destato maggior interesse è quella seriale, in cui l’elemento cedevole viene posto tra l’uscita del riduttore ed il carico. La bibliografia mostra come alcuni limiti della architettura seriale possano essere superati a parità di proprietà dinamiche. La soluzione più promettente è l’architettura differenziale, che si caratterizza per l’utilizzo di riduttori ad un ingresso e due uscite. I vantaggi mostrati dai primi risultati scientifici evidenziano l’ottenimento di modelli dinamici ideali paragonabili alla più nota architettura seriale, superandola in compattezza ed in particolare semplificando l’installazione dei sensori necessari al controllo. In questa tesi viene effettuata un’analisi dinamica preliminare ed uno studio dell’attitudine del dispositivo ad essere utilizzato in contesto collaborativo. Una volta terminata questa fase, si presenta il design e la progettazione di un prototipo, con particolare enfasi sulla scelta di componenti commerciali ed il loro dimensionamento, oltre alla definizione della architettura costruttiva complessiva.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Modellazione grafica di elicotteri per la simulazione del volo

L'obiettivo di questo elaborato di tesi è la modellazione grafica delle cabine di pilotaggio di due elicotteri civili: si prevede una futura implementazione del modello di volo completo sul simulatore FlightGear. I due velivoli presi in considerazione sono stati sviluppati dall'azienda AgustaWestland e sono denominati AW109 e AW139. I modelli di volo sono composti da una parte grafica e dal modello dinamico del volo. La presente tesi si occupa del primo aspetto. Il lavoro di tesi è iniziato con una fase preliminare di ricerca che ha richiesto lo studio di come i modelli dinamici di volo siano implementati nel simulatore FlightGear; è stato, inoltre, approfondito l'utilizzo del linguaggio di markup XML necessario a descrivere il funzionamento e le caratteristiche dei velivoli in FlightGear. Ha fatto seguito la fase di scrittura dei file XML, facendo riferimento a modelli di elicotteri preesistenti e all'effettiva modellazione degli strumenti di bordo, attraverso il programma CAD Blender. Nella fase finale sono stati studiati e posizionati i vari strumenti principali di bordo, consultando i manuali degli elicotteri e ottenendo delle cabine di pilotaggio del tutto simili a quelle reali dei velivoli considerati. Gli sviluppi futuri di questo lavoro prevedono l'integrazione dei modelli grafici qui implementati nel modello di volo completo dei due elicotteri presi in considerazione.

Raffinamento della posizione ottenuta da un GPS tramite misure di fase

Questa tesi elabora un sistema di filtraggio delle pseudodistanze calcolate da un ricevitore GPS, al fine di ottenere un miglior posizionamento. Infatti, dopo aver analizzato e quindi filtrato i dati in ingresso tramite l’impiego delle misure di fase, si può ottenere una precisione nell’ordine dei centimetri. La tecnica di filtraggio prende il nome di carrier-smoothing e permette di selezionare le misure di pseudorange mediante le misure di ADR (Accumulated Delta Range) grazie all’applicazione di una struttura a filtro complementare. Per svolgere questo tipo di lavoro, non è stato necessario l’utilizzo di un ricevitore GPS fisico, ma è stato realizzato, nell’ambiente Matlab/Simulink, un simulatore GNSS (Global Navigation Satellite System) che sostanzialmente emula quello che farebbe un ricevitore.

Simulation and Implementation of a PMSM Sensorless Control Algorithm for Submarine Applications

In this thesis, the study and the simulation of two advanced sensorless speed control techniques for a surface PMSM are presented. The aim is to implement a sensorless control algorithm for a submarine auxiliary propulsion system. This experimental activity is the result of a project collaboration with L3Harris Calzoni, a leader company in A&D systems for naval handling in military field. A Simulink model of the whole electric drive has been developed. Due to the satisfactory results of the simulations, the sensorless control system has been implemented in C code for STM32 environment. Finally, several tests on a real brushless machine have been carried out while the motor was connected to a mechanical load to simulate the real scenario of the final application. All the experimental results have been recorded through a graphical interface software developed at Calzoni.

Progettazione di un modulo di rinnovo dell'aria ambiente con recupero termico. Applicazione ad un caso reale

L’elaborato riguarda la progettazione di un modulo di rinnovo dell’aria ambiente con recupero termico, che integri anche la funzione di climatizzazione invernale ed estiva. L’applicazione è partita dall’analisi di un caso reale, ossia la palazzina uffici dell’azienda Galletti S.p.A. Per tutti gli uffici interessati si è proceduto alla verifica del carico termico invernale, nonché dei fabbisogni di aria di rinnovo sulla base dei tassi di occupazione previsti dalle norme e parallelamente dei tassi di occupazione reali. In tale elaborato vengono illustrate le due normative relative alla ventilazione applicabili in Italia, quella italiana (UNI 10339) e quella europea (UNI EN 16798-1), le quali permetteranno di ottenere i valori di ricambi d’aria necessari per i singoli ambienti. Per effettuare i ricambi di aria si è scelto di dimensionare un sistema di VMC puntuale. Successivamente si sono analizzati i principali inquinanti indoor e tra questi è stata scelta come indice di qualità dell’aria interna la concentrazione di CO2, in quanto il controllo della sua concentrazione permette di avere un indice di un corretto ricambio dell’aria ambiente. Per effettuare il dimensionamento della macchina si sono presi come locali tipo undici uffici dello stabilimento Galletti. Nel lavoro di selezione sono stati individuati i recuperatori a piastre in alluminio e i ventilatori necessari. Si è poi applicato un modello dinamico di accumulo di CO2 in ambienti chiusi creato in Galletti per monitorare l’andamento della concentrazione di CO2 nel tempo con diversi valori di portata di rinnovo, considerando tre livelli di isolamento dell’involucro. Il modello fornisce indicazioni sul tipo di regolazione che si prevede per la macchina. Per ciascun ambiente è stata formulata una proposta di sostituzione dell’unità di climatizzazione presente (fan coil) con una nuova unità in grado di fare fronte al tasso di rinnovo richiesto ed alla climatizzazione invernale in condizioni di progetto.

Valutazione del ciclo antropogenico del neodimio in Italia, mediante metodologie MFA e LCA

Per raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica del 2050 stabiliti dal Green Deal europeo, l’approvvigionamento sicuro e sostenibile di materie prime critiche è considerato essenziale e l’attuale crisi energetica ne ha rimarcato l’importanza. Tra queste materie prime, il neodimio risulta essere fondamentale per un ampio numero di applicazioni tecnologiche di interesse crescente come la mobilità elettrica e la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. La produzione mondiale di neodimio è dominata dalla Cina e l’Italia dipende completamente dalle importazioni per soddisfare la propria domanda. Il riciclo dei prodotti a fine vita potrebbe coprire parte della domanda nazionale di neodimio e ridurre la dipendenza dalle importazioni cinesi. Ma, attualmente, la percentuale di riciclo del metallo è inferiore all’1% globalmente con attività di riciclo spesso inesistenti su scala industriale a livello nazionale. Per dare chiarezza sulla catena del valore di neodimio in Italia e dimostrare le potenzialità del suo riciclo, in questa tesi sono state applicate le metodologie di MFA e di LCA. Un modello dinamico retrospettivo di MFA è stato sviluppato col fine di investigare il ciclo antropogenico del neodimio, identificando e valutando i flussi e le riserve nazionali dal 1995 al 2020. Attraverso un modello di distribuzione dei tempi di vita è stata quantificata la riserva in uso del metallo, che ammonta a 3,3 kt Nd o 56 g Nd pro capite. Un riciclo della riserva in uso potrebbe soddisfare l’attuale domanda di neodimio oltre al 2030. I risultati dell’MFA sono stati integrati con i fattori LCA di caratterizzazione di impatto ambientale, dimostrando che il riciclo potrebbe ridurre più dell’80% delle emissioni di gas serra e della energia richiesta associate alla produzione di neodimio primario. Si prevede che lo studio possa contribuire all’implementazione di politiche e strategie di rafforzamento della catena di approvvigionamento del neodimio.

Simulazione del comportamento dinamico di un parastrappi motociclistico

Simulazione dinamica del comportamento dinamico di un parastrappi motociclistico (materiale elastomerico). Partendo da dati sperimentali ed attraverso Simulink, si è creato un modello che fosse il più semplice ed il più generico possibile, in modo che, grazie ad ottimizzazioni dedicate, potesse essere applicato a diversi casi. Lo scopo del modello, inoltre, è quello di essere inserito all'interno di uno più complesso che descrive il comportamento dinamico complessivo della moto.