Nonlinear constrained and saturated control of power electronics and electromechanical systems

Power electronic converters are extensively adopted for the solution of timely issues, such as power quality improvement in industrial plants, energy management in hybrid electrical systems, and control of electrical generators for renewables. Beside nonlinearity, this systems are typically characterized by hard constraints on the control inputs, and sometimes the state variables. In this respect, control laws able to handle input saturation are crucial to formally characterize the systems stability and performance properties. From a practical viewpoint, a proper saturation management allows to extend the systems transient and steady-state operating ranges, improving their reliability and availability. The main topic of this thesis concern saturated control methodologies, based on modern approaches, applied to power electronics and electromechanical systems. The pursued objective is to provide formal results under any saturation scenario, overcoming the drawbacks of the classic solution commonly applied to cope with saturation of power converters, and enhancing performance. For this purpose two main approaches are exploited and extended to deal with power electronic applications: modern anti-windup strategies, providing formal results and systematic design rules for the anti-windup compensator, devoted to handle control saturation, and “one step” saturated feedback design techniques, relying on a suitable characterization of the saturation nonlinearity and less conservative extensions of standard absolute stability theory results. The first part of the thesis is devoted to present and develop a novel general anti-windup scheme, which is then specifically applied to a class of power converters adopted for power quality enhancement in industrial plants. In the second part a polytopic differential inclusion representation of saturation nonlinearity is presented and extended to deal with a class of multiple input power converters, used to manage hybrid electrical energy sources. The third part regards adaptive observers design for robust estimation of the parameters required for high performance control of power systems.

Nonlinear Observers for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors

In this thesis, the industrial application of control a Permanent Magnet Synchronous Motor in a sensorless configuration has been faced, and in particular the task of estimating the unknown “parameters” necessary for the application of standard motor control algorithms. In literature several techniques have been proposed to cope with this task, among them the technique based on model-based nonlinear observer has been followed. The hypothesis of neglecting the mechanical dynamics from the motor model has been applied due to practical and physical considerations, therefore only the electromagnetic dynamics has been used for the observers design. First observer proposed is based on stator currents and Stator Flux dynamics described in a generic rotating reference frame. Stator flux dynamics are known apart their initial conditions which are estimated, with speed that is also unknown, through the use of the Adaptive Theory. The second observer proposed is based on stator currents and Rotor Flux dynamics described in a self-aligning reference frame. Rotor flux dynamics are described in the stationary reference frame exploiting polar coordinates instead of classical Cartesian coordinates, by means the estimation of amplitude and speed of the rotor flux. The stability proof is derived in a Singular Perturbation Framework, which allows for the use the current estimation errors as a measure of rotor flux estimation errors. The stability properties has been derived using a specific theory for systems with time scale separation, which guarantees a semi-global practical stability. For the two observer ideal simulations and real simulations have been performed to prove the effectiveness of the observers proposed, real simulations on which the effects of the Inverter nonlinearities have been introduced, showing the already known problems of the model-based observers for low speed applications.

Land use management in mountainous areas: combining ground-based and EO (Earth Observation) data to investigate the shallow landsliding susceptibility in the Duron valley (Trento, Italy).

Throughout the alpine domain, shallow landslides represent a serious geologic hazard, often causing severe damages to infrastructures, private properties, natural resources and in the most catastrophic events, threatening human lives. Landslides are a major factor of landscape evolution in mountainous and hilly regions and represent a critical issue for mountainous land management, since they cause loss of pastoral lands. In several alpine contexts, shallow landsliding distribution is strictly connected to the presence and condition of vegetation on the slopes. With the aid of high-resolution satellite images, it's possible to divide automatically the mountainous territory in land cover classes, which contribute with different magnitude to the stability of the slopes. The aim of this research is to combine EO (Earth Observation) land cover maps with ground-based measurements of the land cover properties. In order to achieve this goal, a new procedure has been developed to automatically detect grass mantle degradation patterns from satellite images. Moreover, innovative surveying techniques and instruments are tested to measure in situ the shear strength of grass mantle and the geomechanical and geotechnical properties of these alpine soils. Shallow landsliding distribution is assessed with the aid of physically based models, which use the EO-based map to distribute the resistance parameters across the landscape.

Progettazione di poltrona ad inseguimento solare collocata su ponte navale

Progetto e dimensionamento di una poltrona ad inseguimento solare. Scelta del meccanismo da adottare per la movimentazione automatica dello schienale e della seduta.

Progetto e realizzazione di un dispositivo di controllo e gestione remoto per un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

La seguente tesi presenta lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione remota per il tracking di un satellite. Il progetto, denominato ALMATracker, è sviluppato dal corso di Ingegneria Aerospaziale della scuola di Ingegneria e Architettura Aerospaziale dell’Università di Bologna con sede a Forlì. Consiste nella creazione di una motorizzazione per antenne su due assi, movimentata da un hardware commerciale programmabile. Il posizionamento può essere eseguito sia manualmente, su richiesta di un utente da PC remoto, sia automaticamente secondo un’orbita preimpostata. I setpoint di velocità o posizione sono elaborati dal sistema fino ad ottenere un segnale che procede alla movimentazione in velocità dell’antenna. Il comando automatico, invece, orienta l’antenna in modo tale da mantenerla fissa su una traiettoria orbitale di uno specifico spacecraft. La movimentazione automatica segue funzioni polinomiali fornite dall’utente, ricavate da software di propagazione e predizione esterno al sistema ALMATracker. In questo caso il sistema deve procedere alla rotazione mantenendo la velocità richiesta dalla funzione polinomiale. Il controllo effettuato in catena chiusa è attuato tramite una serie di trasduttori di posizione presenti nel sistema.

Sulla formatura di film plastico in macchine blisteratrici con infrarossi.

La tesi è rivolta allo studio delle dinamiche di riscaldamento del film plastico in macchine blisteratrici e alla possibilità di utilizzo di irradiatori infrarossi nella fase di preriscaldo. Sono stati effettuati i calcoli analitici dei tempi necessari al riscaldamento e dopo avere progettato e realizzato i supporti sono state fatte delle prove empiriche in macchina per identificare la migliore configurazione delle lampade e trovare conferma dei risultati teorici.

Efficient ultrasonic signal processing techniques for aided medical diagnostics

Ultrasound imaging is widely used in medical diagnostics as it is the fastest, least invasive, and least expensive imaging modality. However, ultrasound images are intrinsically difficult to be interpreted. In this scenario, Computer Aided Detection (CAD) systems can be used to support physicians during diagnosis providing them a second opinion. This thesis discusses efficient ultrasound processing techniques for computer aided medical diagnostics, focusing on two major topics: (i) Ultrasound Tissue Characterization (UTC), aimed at characterizing and differentiating between healthy and diseased tissue; (ii) Ultrasound Image Segmentation (UIS), aimed at detecting the boundaries of anatomical structures to automatically measure organ dimensions and compute clinically relevant functional indices. Research on UTC produced a CAD tool for Prostate Cancer detection to improve the biopsy protocol. In particular, this thesis contributes with: (i) the development of a robust classification system; (ii) the exploitation of parallel computing on GPU for real-time performance; (iii) the introduction of both an innovative Semi-Supervised Learning algorithm and a novel supervised/semi-supervised learning scheme for CAD system training that improve system performance reducing data collection effort and avoiding collected data wasting. The tool provides physicians a risk map highlighting suspect tissue areas, allowing them to perform a lesion-directed biopsy. Clinical validation demonstrated the system validity as a diagnostic support tool and its effectiveness at reducing the number of biopsy cores requested for an accurate diagnosis. For UIS the research developed a heart disease diagnostic tool based on Real-Time 3D Echocardiography. Thesis contributions to this application are: (i) the development of an automated GPU based level-set segmentation framework for 3D images; (ii) the application of this framework to the myocardium segmentation. Experimental results showed the high efficiency and flexibility of the proposed framework. Its effectiveness as a tool for quantitative analysis of 3D cardiac morphology and function was demonstrated through clinical validation.

Model predictive control in thermal management of multiprocessor systems-on-chip

MultiProcessor Systems-on-Chip (MPSoC) are the core of nowadays and next generation computing platforms. Their relevance in the global market continuously increase, occupying an important role both in everydaylife products (e.g. smartphones, tablets, laptops, cars) and in strategical market sectors as aviation, defense, robotics, medicine. Despite of the incredible performance improvements in the recent years processors manufacturers have had to deal with issues, commonly called “Walls”, that have hindered the processors development. After the famous “Power Wall”, that limited the maximum frequency of a single core and marked the birth of the modern multiprocessors system-on-chip, the “Thermal Wall” and the “Utilization Wall” are the actual key limiter for performance improvements. The former concerns the damaging effects of the high temperature on the chip caused by the large power densities dissipation, whereas the second refers to the impossibility of fully exploiting the computing power of the processor due to the limitations on power and temperature budgets. In this thesis we faced these challenges by developing efficient and reliable solutions able to maximize performance while limiting the maximum temperature below a fixed critical threshold and saving energy. This has been possible by exploiting the Model Predictive Controller (MPC) paradigm that solves an optimization problem subject to constraints in order to find the optimal control decisions for the future interval. A fully-distributedMPC-based thermal controller with a far lower complexity respect to a centralized one has been developed. The control feasibility and interesting properties for the simplification of the control design has been proved by studying a partial differential equation thermal model. Finally, the controller has been efficiently included in more complex control schemes able to minimize energy consumption and deal with mixed-criticalities tasks

Studio di metodi di ricostruzione di top molto energetici all'esperimento atlas

L’acceleratore di protoni e ioni pesanti LHC costruito presso i laboratori del CERN di Ginevra permette sviluppi straordinari nel campo della fisica delle particelle alle alte energie. Tra le diverse linee di ricerca attualmente operative lo studio del quark top riveste un ruolo di particolare rilevanza. Infatti, l’elevata energia accessibile alla macchina rende possibile la raccolta di campioni di elevata statistica necessari per uno studio dettagliato delle proprietà del quark top, la particella più pesante fino ad oggi nota. In particolare in questa tesi viene studiato, e confrontato con l'analisi standard, un nuovo metodo, chiamato “template overlap method”, per la selezione di quark top prodotti ad alta energia. L'obiettivo è valutare se questo nuovo metodo permetterà una migliore precisione nella misura della sezione d'urto differenziale di produzione di coppie tt nelle prossime prese dati dove l'energia nel centro di massa raggiungerà i 13 TeV. L'analisi, per ora, è stata svolta su dati montecarlo simulati per l'esperimento ATLAS ad una energia del centro di massa di 8 TeV. I risultati ottenuti sono incoraggianti perchè mostrano un'alta efficienza di selezione all'aumentare dell'energia dei prodotti di decadimento del top.

Coordination and Control of Autonomous Mobile Robots Swarms by using Particle Swarm Optimization Algorithm and Consensus Theory

This thesis presents some different techniques designed to drive a swarm of robots in an a-priori unknown environment in order to move the group from a starting area to a final one avoiding obstacles. The presented techniques are based on two different theories used alone or in combination: Swarm Intelligence (SI) and Graph Theory. Both theories are based on the study of interactions between different entities (also called agents or units) in Multi- Agent Systems (MAS). The first one belongs to the Artificial Intelligence context and the second one to the Distributed Systems context. These theories, each one from its own point of view, exploit the emergent behaviour that comes from the interactive work of the entities, in order to achieve a common goal. The features of flexibility and adaptability of the swarm have been exploited with the aim to overcome and to minimize difficulties and problems that can affect one or more units of the group, having minimal impact to the whole group and to the common main target. Another aim of this work is to show the importance of the information shared between the units of the group, such as the communication topology, because it helps to maintain the environmental information, detected by each single agent, updated among the swarm. Swarm Intelligence has been applied to the presented technique, through the Particle Swarm Optimization algorithm (PSO), taking advantage of its features as a navigation system. The Graph Theory has been applied by exploiting Consensus and the application of the agreement protocol with the aim to maintain the units in a desired and controlled formation. This approach has been followed in order to conserve the power of PSO and to control part of its random behaviour with a distributed control algorithm like Consensus.

Analisi esplorativa e armonizzazione di dataset per la rappresentazione grafica mediante la libreria d3

L’idea alla base della tesi è quella di sfruttare l’espressività di rappresentazione grafica della libreria D3 per mettere a punto un’applicazione web che dia la possibilità all’utente di creare dei grafici interattivi in maniera semplice e automatica. A tal proposito, si è subito considerato il dominio dell’applicazione, rappresentato dai dati da visualizzare in forma grafica, in modo da sviluppare un prodotto che, a differenza degli altri generatori di grafici, permetta l’elaborazione dei dataset reali, quelli cioè pubblicati sul web dai vari enti specializzati; un’applicazione che quindi indipendentemente dalla forma in cui i dati si presentano, riesca a rappresentarne il contenuto.

A numerical study of turbulent Rayleigh-Bénard convection

Il flusso di Rayleigh-Bénard, costituito da un fluido racchiuso fra due pareti a diversa temperatura, rappresenta il paradigma della convezione termica. In natura e nelle applicazioni industriali, il moto convettivo avviene principalmente in regime turbolento, rivelando un fenomeno estremamente complesso. L'obiettivo principale di questo elaborato di tesi consiste nell'isolare e descrivere gli aspetti salienti di un flusso turbolento di Rayleigh-Bénard. L'analisi è applicata a dati ottenuti da tre simulazioni numeriche dirette effettuate allo stesso numero di Rayleigh (Ra=10^5) e a numeri di Prandtl differenti (Pr=0.7,2,7). Sulla base di alcune statistiche a singolo punto, vengono definite nel flusso tre regioni caratteritiche: il bulk al centro della cella, lo strato limite termico e quello viscoso in prossimità delle pareti. Grazie all'analisi dei campi istantanei e delle correlazioni spaziali a due punti, sono state poi individuate due strutture fondamentali della convezione turbolenta: le piume termiche e la circolazione a grande scala. L'equazione generalizzata di Kolmogorov, introdotta nell'ultima parte della trattazione, permette di approcciare il problema nella sua complessità, visualizzando come l'energia cinetica viene immessa, si distribuisce e viene dissipata sia nello spazio fisico, sia in quello delle scale turbolente. L'immagine che emerge dall'analisi complessiva è quella di un flusso del tutto simile a una macchina termica. L'energia cinetica viene prodotta nel bulk, considerato il motore del flusso, e da qui fluisce verso le pareti, dove viene infine dissipata.

Studio della struttura di sollevamento e ribaltamento del cesto di raccolta in tagliaerba a piatto frontale

Lo studio svolto nella tesi approfondisce alcuni aspetti meccanici di una struttura sollevatrice per un cesto raccoglitore istallata su un tagliaerba a piatto frontale, con raccolta dell'erba tagliata nel cesto retrostante, macchina costruita dall'azienda Grillo Spa. Lo studio prevede una analisi cinematica della struttura, con formulazione di un modello più semplice adatto allo studio in questione. A seguire si è effettuato uno studio sulle forze in gioco nella condizione più critica della struttura e una verifica riguardante una specifica sezione di tubo rettangolare scelta dall'azienda per il punto più critico. In seguito si è fatto un approfondimento sulla teoria della lubrificazione e si è verificato l'utilizzo che ne fa l'azienda. Si è terminato lo studio con l'analisi dei cicli lavorativi di una parte dei componenti della struttura.

Ottimizzazione aerodinamica del rotore principale dell'elicottero RC Goblin Speed

L'elimodellismo è una passione che lega un numero sempre maggiore di persone: nuove manifestazioni vengono organizzate in tutto il mondo e nuove discipline vengono continuamente proposte. Questo è il caso della disciplina speed in cui i piloti si sfidano a far volare i propri elimodelli alle massime velocità. L'azienda SAB Heli Division s.r.l., come produttore di pale per elimodelli e della serie di elicotteri Goblin, ha interesse a sostenere i propri piloti con le proprie macchine, facendo sì che siano veloci e competitive. Per questo ha voluto sviluppare una pala che, montata sul proprio elicottero specifico per questa disciplina, possa vincere la concorrenza con l'ambizione di stabilire un primato di velocità a livello internazionale. Il problema è quindi quello di sviluppare una pala che ottimizzasse al meglio le caratteristiche dell'elimodello Goblin Speed, in modo da sfruttare al meglio la potenza installata a bordo. Per via dei limiti sui mezzi a disposizione l'ottimizzazione è stata portata avanti mediante la teoria dell'elemento di pala. Si è impostato il calcolo determinando la potenza media su una rotazione del rotore in volo avanzato a 270 km/h e quindi attraverso gli algoritmi di ottimizzazione globale presenti nel codice di calcolo MATLAB si è cercato il rotore che permettesse il volo a tale velocità al variare del raggio del disco del rotore, dello svergolamento della pala e della distribuzione di corda lungo la pala. Per far sì che si abbiano risultati più precisi si sono sfruttati alcuni modelli per stimare il campo di velocità indotta o gli effetti dello stallo dinamico. Inoltre sono state stimate altre grandezze di cui non sono noti i dati reali o di cui è troppo complesso, per le conoscenze a disposizione, avere un dato preciso. Si è tuttavia cercato di avere stime verosimili. Alcune di queste grandezze sono le caratteristiche aerodinamiche del profilo NACA 0012 utilizzato, ottenute mediante analisi CFD bidimensionale, i comandi di passo collettivo e ciclico che equilibrano il velivolo e la resistenza aerodinamica dell'intero elimodello. I risultati del calcolo sono stati confrontati innanzitutto con le soluzioni già adottate dall'azienda. Quindi si è proceduto alla realizzazione della pala e mediante test di volo si è cercato di valutare le prestazioni della macchina che monta la pala ottenuta. Nonostante le approssimazioni adottate si è osservato che la pala progettata a partire dai risultati dell'ottimizzazione rispecchia la filosofia adottata: per velocità paragonabili a quelle ottenute con le pale prodotte da SAB Heli Division, le potenze richieste sono effettivamente inferiori. Tuttavia non è stato possibile ottenere un vero e proprio miglioramento della velocità di volo, presumibilmente a causa delle stime delle caratteristiche aerodinamiche delle diverse parti del Goblin Speed.

Caratteristiche innovative nell'acquisizione di dati di informatica forense in ambienti virtuali

Come risposta positiva alle richieste provenienti dal mondo dei giuristi, spesso troppo distante da quello scientifico, si vuole sviluppare un sistema solido dal punto di vista tecnico e chiaro dal punto di vista giurico finalizzato ad migliore ricerca della verità. L’obiettivo ci si prefigge è quello di creare uno strumento versatile e di facile utilizzo da mettere a disposizione dell’A.G. ed eventualmente della P.G. operante finalizzato a consentire il proseguo dell’attività d’indagine in tempi molto rapidi e con un notevole contenimento dei costi di giustizia rispetto ad una normale CTU. La progetto verterà su analisi informatiche forensi di supporti digitali inerenti vari tipi di procedimento per cui si dovrebbe richiedere una CTU o una perizia. La sperimentazione scientifica prevede un sistema di partecipazione diretta della P.G. e della A.G. all’analisi informatica rendendo disponibile, sottoforma di macchina virtuale, il contenuto dei supporti sequestrati in modo che possa essere visionato alla pari del supporto originale. In questo modo il CT diventa una mera guida per la PG e l’AG nell’ambito dell’indagine informatica forense che accompagna il giudice e le parti alla migliore comprensione delle informazioni richieste dal quesito. Le fasi chiave della sperimentazione sono: • la ripetibilità delle operazioni svolte • dettare delle chiare linee guida per la catena di custodia dalla presa in carico dei supporti • i metodi di conservazione e trasmissione dei dati tali da poter garantire integrità e riservatezza degli stessi • tempi e costi ridotti rispetto alle normali CTU/perizie • visualizzazione diretta dei contenuti dei supporti analizzati delle Parti e del Giudice circoscritte alle informazioni utili ai fini di giustizia