Axis control optimization: autotuning techniques and frequency response analysis of industrial mechatronic systems

In the field of industrial automation, there is an increasing need to use optimal control systems that have low tracking errors and low power and energy consumption. The motors we are dealing with are mainly Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs), controlled by 3 different types of controllers: a position controller, a speed controller, and a current controller. In this thesis, therefore, we are going to act on the gains of the first two controllers by going to find, through the TwinCAT 3 software, what might be the best set of parameters. To do this, starting with the default parameters recommended by TwinCAT, two main methods were used and then compared: the method of Ziegler and Nichols, which is a tabular method, and advanced tuning, an auto-tuning software method of TwinCAT. Therefore, in order to analyse which set of parameters was the best,several experiments were performed for each case, using the Motion Control Function Blocks. Moreover, some machines, such as large robotic arms, have vibration problems. To analyse them in detail, it was necessary to use the Bode Plot tool, which, through Bode plots, highlights in which frequencies there are resonance and anti-resonance peaks. This tool also makes it easier to figure out which and where to apply filters to improve control.

A numerical program for Railway vehicle-track-structure dynamic interaction using a modal substructuring approach

This work presents a program for simulations of vehicle-track and vehicle-trackstructure dynamic interaction . The method used is computationally efficient in the sense that a reduced number of coordinates is sufficient and doesn’t require high efficiency computers. The method proposes a modal substructuring approach of the system by modelling rails , sleepers and underlying structure with modal coordinates, the vehicle with physical lumped elements coordinates and by introducing interconnection elements between these structures (wheel-rail contact, railpads and ballast) by means of their interaction forces. The Frequency response function (FRF) is also calculated for both cases of track over a structure (a bridge, a viaduct ...) and for the simple vehicle-track program; for each case the vehicle effect on the FRF is then analyzed through the comparison of the FRFs obtained introducing or not a simplified vehicle on the system.

Vibro-acoustic analysis of additively manufactured acoustic metamaterials

In the last decade it emerged the interest in new types of acoustic insulating materials, called acoustic metamaterials. These materials are composed by a host and inclusions and are arranged periodically or non-periodically in sub-wavelength elements called meta-atoms. Their inclusions and internal geometries can be manipulated to tailor the acoustic properties, reducing weight, and increasing at the same time their efficiency. Thanks to the high absorbing characteristics that they can achieve, their usage is of particularly interest as material of the core in sandwich panels of aerospace structures to reduce vibrations and noise inside passengers aircraft’s cabin. In addition, since the low frequency signals are difficult to be damped with conventional materials, their usage can guarantee a high transmission loss at low frequencies, obtaining a positive benefit on passengers’ comfort. The performances and efficiency of these materials are enhanced thanks to the new additive manufacturing techniques opposed to the conventional ones uncapable to pro- duce such complex internal geometries. The aim of this work is to study, produce and redesign micro-perforated sandwich panels of a literature case study to achieve high performances in the low frequency range, e.g., below 2000 Hz. Some geometrical parameters, such as perforation ratio and diameter of holes, were considered to realize different models and see the differences in the sound transmission loss. The models were produced by means of Fused Deposition Modelling using an Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plus p430) material on a commercial additive manufacturing system. Finally, the frequency response analysis was carried out with Mul2 software, based on the Carrera’s Unified Formulation (CUF) to understand the acoustic and structural properties of the material employed, analyzing the plates’ displacements and the TL results.

Analisi vibroacustica di un sistema di scarico per monoposto Formula SAE

Lo scopo del presente lavoro è quello di determinare una metodologia di analisi vibroacustica di validità generale applicabile a tutti i casi nei quali la forzante sia di tipo vibrazionale. Nello specifico si è analizzato il comportamento strutturale e acustico di un impianto di scarico di una monoposto Formula SAE. Ricorrendo all’analisi FEM (Finite Element Method) è possibile determinare e quantificare gli effetti dannosi causati dalle vibrazioni già nella fase di prototipazione permettendo una sostanziale riduzione dei tempi e costi. La determinazione del comportamento strutturale del modello alle vibrazioni è iniziata dall’analisi modale, grazie alla quale sono state determinate le frequenze naturali e i modi propri dell’impianto di scarico. Successivamente, l’analisi FRF (Frequency Response Function) ha permesso di conoscere la risposta del nostro sistema ad una forzante imposta mettendo in luce le diverse criticità strutturali. Con il presupposto di ottenere delle condizioni di carico che fossero il più vicine possibili alle normali condizioni operative si è impostata un’analisi PSD (Power Spectral Density). Per concludere la prima parte dell’analisi si è reso necessario indagare anche il comportamento a fatica vibrazionale, valutando in questo modo le zone soggette a vita finita e quindi le prime a cedere in fase di esercizio. La parte finale è stata dedicata all’analisi del rumore. Dall’analisi FRF si è determinata la SPL (Sound Pressure Level) ottenendo come output un valore di pressione sonora prodotto dall’effetto della propagazione delle onde di pressione generate dalla vibrazione strutturale dell’impianto di scarico. Infine, l’analisi di Transmission Loss ha permesso di valutare l’efficacia della geometria del silenziatore sulla riduzione del livello acustico generato dal transito dei gas di scarico alle diverse frequenze.

Frequency-dependent response of snow in uniaxial compression and comparison with numerical simulation

La determinazione del modulo di Young è fondamentale nello studio della propagazione di fratture prima del rilascio di una valanga e per lo sviluppo di affidabili modelli di stabilità della neve. Il confronto tra simulazioni numeriche del modulo di Young e i valori sperimentali mostra che questi ultimi sono tre ordini di grandezza inferiori a quelli simulati (Reuter et al. 2013)⁠. Lo scopo di questo lavoro è stimare il modulo di elasticità studiando la dipendenza dalla frequenza della risposta di diversi tipi di neve a bassa densità, 140-280 kg m-3. Ciò è stato fatto applicando una compressione dinamica uniassiale a -15°C nel range 1-250 Hz utilizzando il Young's modulus device (YMD), prototipo di cycling loading device progettato all'Istituto per lo studio della neve e delle valanghe (SLF). Una risposta viscoelastica della neve è stata identificata a tutte le frequenze considerate, la teoria della viscoelasticità è stata applicata assumendo valida l'ipotesi di risposta lineare della neve. Il valore dello storage modulus, E', a 100 Hz è stato identificato come ragionevolmente rappresentativo del modulo di Young di ciascun campione neve. Il comportamento viscoso è stato valutato considerando la loss tangent e la viscosità ricavata dai modelli di Voigt e Maxwell. Il passaggio da un comportamento più viscoso ad uno più elastico è stato trovato a 40 Hz (~1.1•10-2 s-1). Il maggior contributo alla dissipazione è nel range 1-10 Hz. Infine, le simulazioni numeriche del modulo di Young sono state ottenute nello stesso modo di Reuter et al.. La differenza tra le simulazioni ed i valori sperimentali di E' sono, al massimo, di un fattore 5; invece, in Reuter et al.⁠, era di 3 ordini di grandezza. Pertanto, i nostri valori sperimentali e numerici corrispondono meglio, indicando che il metodo qui utilizzato ha portato ad un miglioramento significativo.

A 2-dimensional computational model to analyze the effects of cellular heterogeinity on cardiac pacemaking

The mechanical action of the heart is made possible in response to electrical events that involve the cardiac cells, a property that classifies the heart tissue between the excitable tissues. At the cellular level, the electrical event is the signal that triggers the mechanical contraction, inducing a transient increase in intracellular calcium which, in turn, carries the message of contraction to the contractile proteins of the cell. The primary goal of my project was to implement in CUDA (Compute Unified Device Architecture, an hardware architecture for parallel processing created by NVIDIA) a tissue model of the rabbit sinoatrial node to evaluate the heterogeneity of its structure and how that variability influences the behavior of the cells. In particular, each cell has an intrinsic discharge frequency, thus different from that of every other cell of the tissue and it is interesting to study the process of synchronization of the cells and look at the value of the last discharge frequency if they synchronized.