Realizzazione e verifica sperimentale del sistema di controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

In questo lavoro di tesi è stato realizzato lo schema di controllo di un raddrizzatore attivo e di un filtro attivo. Questi sono stati realizzati utilizzando il software Simulink, effettuando una prima fase di simulazione. Tramite il sistema dSpace è stato possibile poi controllare concretamente il convertitore ed effettuare le prove sperimentali.

Eye-trauma: Event driven control software for gesture recognition in medical simulation

Il progetto Eye-Trauma si colloca all'interno dello sviluppo di un simulatore chirurgico per traumi alla zona oculare, sviluppato in collaborazione con Simulation Group in Boston, Harvard Medical School e Massachusetts General Hospital. Il simulatore presenta un busto in silicone fornito di moduli intercambiabili della zona oculare, per simulare diversi tipi di trauma. L'utilizzatore è chiamato ad eseguire la procedura medica di saturazione tramite degli strumenti chirurgici su cui sono installati dei sensori di forza e di apertura. I dati collezionati vengono utilizzati all'interno del software per il riconoscimento dei gesti e il controllo real-time della performance. L'algoritmo di gesture recognition, da me sviluppato, si basa sul concetto di macchine a stati; la transizione tra gli stati avviene in base agli eventi rilevati dal simulatore.

Definizione e validazione di un modello elettromeccanico per l'ottimizzazione dei servomeccanismi nelle macchine automatiche

In questo lavoro viene mostrato come costruire un modello elettromeccanico per il sistema costituito da motore elettrico-riduttore-trasmissione-carico. Il modello è progettato per essere implementato su software di simulazione. Sono illustrati aspetti relativi ai componenti del sistema, alla dinamica dei meccanismi, a modelli di perdite elettriche nei motori ed alle modalità di costruizione del software di simulazione. Sono infine mostrati i risultati di alcune simulazioni.

Protezione di condotte sottomarine con materassi articolati in cls (acbm) e materassi bituminosi sarmac

Tesi svolta in collaborazione con Officine Maccaferri S.p.A e con il LIDR (Laboratorio di Ingegneria Idraulica) dell’Università di Bologna. Descrive caratteristiche tecniche di condotte in acciaio, polietilene ad alta densità (PEAD) e resina poliestere rinforzata con fibre di vetro (PRFV), evidenziando vantaggi/svantaggi del loro impiego. Fornisce una descrizione delle modalità di posa delle condotte in relazione ai fattori che condizionano la scelta della tecnica più idonea. Affronta il problema della stabilizzazione e protezione delle condotte soggette all’azione idrodinamica di onde e correnti nelle zona sotto costa e a possibili fattori di rischio esterni. Descrive tecniche di protezione delle condotte sottomarine: interramento (trenching), ricoprimento con materiale roccioso (rock dumping), stabilizzazione con elementi puntuali di appesantimento (concrete collars).Sono descritte le soluzioni di protezione offerte da Officine Maccaferri: materassi articolati in blocchi di calcestruzzo (ACBM) e materassi in geotessuto riempiti di materiale bituminoso (SARMAC). Essi vengono posati sopra la condotta, in posizione longitudinale o trasversale al suo asse, e hanno duplice scopo: (i) incrementarne il peso e la stabilità ai carichi idrodinamici esercitati da onde e correnti e (ii) proteggere la condotta da urti. Partendo dai risultati del modello sperimentale descritto in Gaeta et al. (2012) che evidenziano problemi di erosione localizzata intorno a condotta posata su fondale mobile protetta con materasso ACBM dovuti alla discontinuità materiale del mezzo si valuta, attraverso uno studio numerico, la opportunità di modificare il materasso, ponendo sotto i blocchetti un geotessile. Utilizzando un modello numerico, COBRAS, per la simulazione 2DV del campo idrodinamico si analizza l’effetto di smorzamento del campo di velocità e di vorticità indotto dall’aggiunta del geotessuto simulato come mezzo poroso. I dati sono stati elaborati con MATLAB per ricavare le mappature attorno alla condotta. I test numerici riguardano 3 configurazioni: SARMAC, ACBM, GEO (ACBM+Geotessuto) poggiate su una condotta di diametro costante e sono state analizzate per 2 condizioni di onde regolari di diversa altezza e periodo. Dagli studi emerge che, per casi di condotta posata su fondo mobile, si consiglia l’utilizzo di materassi SARMAC o materassi ACBM modificati con aggiunta di geotessuto. Inoltre il geotessuto svolge anche funzione filtrante, per cui permette il passaggio dell’acqua ma allo stesso tempo trattiene il materiale solido movimentato, senza pericolo di erosione. La presenza dello strato di geotessile non incide sui parametri caratteristici di stabilità globale del materasso ACBM. Si è compiuta un’analisi comparativa tra SARMAC e ACBM per valutare la convenienza delle due soluzioni. Si propone un esempio di dimensionamento nel caso di protezione di un cavo sottomarino comparando caratteristiche tecniche dei materassi SARMAC e ACBM senza geotessile e facendo valutazioni economiche di massima da cui emerge la maggiore convenienza dei materassi ACBM.

Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Wave driven devices for the oxygenation of bottom layers

This thesis discusses the design of a system to use wave energy to pump oxygen-rich surface water towards the bottom of the sea. A simple device, called OXYFLUX, is proposed in a scale model and tested in a wave flume in order to validate its supposed theoretical functioning. Once its effectiveness has been demonstrated, a overset mesh, CFD model has been developed and validated by means of the physical model results. Both numerical and physical results show how wave height affects the behavior of the device. Wave heights lower than about 0.5 m overtop the floater and fall into it. As the wave height increases, phase shift between water surface and vertical displacement of the device also increases its influence on the functioning mechanism. In these situations, with wave heights between 0.5 and 0.9 m, the downward flux is due to the higher head established in the water column inside the device respect to the outside wave field. Furthermore, as the wave height grows over 0.9 m, water flux inverts the direction thanks to depression caused by the wave crest pass over the floater. In this situation the wave crest goes over the float but does not go into it and it draws water from the bottom to the surface through the device pipe. By virtue of these results a new shape of the floater has been designed and tested in CFD model. Such new geometry is based on the already known Lazzari’s profile and it aims to grab as much water as possible from the wave crest during the emergence of the floater from the wave field. Results coming from the new device are compared with the first ones in order to identify differences between the two shapes and their possible areas of application.

"Abitare le cure" - riqualificazione del complesso ospedaliero di Castel San Pietro Terme

Questa tesi propone un progetto di riqualificazione funzionale ed energetica del Polo ospedaliero civile di Castel San Pietro Terme, un complesso di edilizia sanitaria attivo dal 1870, che la AUSL proprietaria ha ora programmato di riqualificare. Il complesso, costituito da diversi edifici realizzati in epoche successive con un volume lordo riscaldato di 41670 m3, occupa un’area di 18415 m2. Sottoposto nel corso del tempo a ripetute modifiche e ampliamenti,oggi si presenta come un insieme eterogeneo di volumi, disorganici nell’aspetto ed interessati da importanti criticità: • prestazioni energetiche largamente inadeguate; • insufficiente resistenza alle azioni sismiche; • inefficiente distribuzione interna degli ambienti e delle funzioni. Partendo da un’analisi che dal complesso ospedaliero si estende sull’intera area di Castel San Pietro Terme, è stato definito un progetto che tiene conto delle peculiarità e delle criticità del luogo. Il progetto propone la riqualificazione dell’area antistante l’ingresso storico dell’ospedale tramite il collegamento diretto al parco fluviale, oggi interrotto da viale Oriani e da un parcheggio. Sul complesso edificato viene invece progettato un insieme di interventi differenziati, che rispondono all’obiettivo primario di adattare il polo ospedaliero a nuove funzioni sanitarie. La riorganizzazione prevede: • L’eliminazione del reparto di chirurgia; • L’adeguamento delle degenze a funzioni di hospice e lungodegenza per malati terminali; • L’ampliamento del progetto Casa della Salute che prevede locali ambulatoriali. Il progetto ha assunto questo programma funzionale,puntando a mantenere e riqualificare quanto più possibile l’esistente. E’ stato quindi previsto di: • Demolire il corpo del blocco operatorio. • Ridefinire volumetricamente il corpo delle degenze • Prevedere la costruzione di nuovi volumi per ospitare i poliambulatori. Per assicurare un adeguato livello di prestazioni,l’intervento ha puntato a far conseguire all’intero complesso la classe energetica A e ad adeguare la capacità di risposta al sisma, in particolare del corpo delle degenze, che presenta le condizioni più critiche. Le simulazioni eseguite con il software Termolog Epix3 attestano un valore di fabbisogno energetico finale pari a 5,10 kWh/m3 anno, con una riduzione del 92,7% rispetto ai livelli di consumo attuali. E' stata posta particolare attenzione anche al comfortdegli ambienti di degenza, verificato tramite l’utilizzo del software di simulazione energetica in regime dinamico IESVE che ha permesso di monitorare gli effetti ottenuti in relazione ad ogni scelta progettuale. I nuovi padiglioni sono stati progettati per integrare in modo funzionale i locali ambulatoriali ed alcuni ambienti dedicati alle terapie complementari per i lungodegenti. La tecnologia a setti portanti Xlam è stata preferita per la velocità di realizzazione. La sovrastante copertura costituita da una membrana di ETFE sostenuta da travi curve in legno lamellare, oltre ad assicurare il comfort ambientale tramite lo sfruttamento di sistemi passivi, permette di limitare i requisiti dell’involucro dei volumi sottostanti.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Simulazioni realistiche di algoritmi di Crowd Steering

La simulazione realistica del movimento di pedoni riveste una notevole importanza nei mondi dell'architettonica e della sicurezza (si pensi ad esempio all'evacuazione di ambienti), nell'industria dell'entertainment e in molti altri ambiti, importanza che è aumentata negli ultimi anni. Obiettivo di questo lavoro è l'analisi di un modello di pedone esistente e l'applicazione ad esso di algoritmi di guida, l'implementazione di un modello più realistico e la realizzazione di simulazioni con particolare attenzione alla scalabilità. Per la simulazione è stato utilizzato il framework Alchemist, sviluppato all'interno del laboratorio di ricerca APICe, realizzando inoltre alcune estensioni che potranno essere inglobate nel pacchetto di distribuzione del sistema stesso. I test effettuati sugli algoritmi presi in esame evidenziano un buon guadagno in termini di tempo in ambienti affollati e il nuovo modello di pedone risulta avere un maggiore realismo rispetto a quello già esistente, oltre a superarne alcuni limiti evidenziati durante i test e ad essere facilmente estensibile.

Progettazione del banco prova per motori ad alta prestazione

Si è progettato un assemblato formato da due container con funzione di porta banco prova motore e una postazione dedicata agli utenti e alle apparecchiature di controllo.

Realizzazione di un sistema di controllo per l'automazione dei test su veicolo a banco rulli

Per eseguire dei test automatizzati su una moto posta su banco a rulli, è necessario un software che permetta di gestire determinati attuatori sulla moto, in modo da poter simulare le condizioni di guida desiderate. Nel modello preso in esame, sono stati utilizzati Simulink e NI VeriStand. Simulink è un ambiente grafico di simulazione e analisi di sistemi dinamici completamente integrato con Matlab, caratterizzato dalla tipica interfaccia a blocchi, che possono essere personalizzati o scelti dalla libreria. Ni VeriStand è invece un ambiente software che permette di elaborare modelli scritti in Simulink in real time. Il presente lavoro è stato incentrato proprio su quest’ultimo aspetto. Per prima cosa è stata esaminata a fondo la parte del modello in Simulink, dopo di che è stata valutata la possibilità di riscrivere alcune parti del modello con un’applicazione interna a Simulink (StateFlow), che si potrebbe prestare meglio a simulare la logica di controllo rispetto a com’è gestita attualmente.

Studio e implementazione di un autopilota su un UAV ad ala fissa

Si riporta inizialmente un’analisi tecnica dell’autopilota Ardupilot, utilizzato con il firmware Arduplane, che predispone la scheda all’utilizzo specifico su velivoli senza pilota ad ala fissa. La parte sostanziale della tesi riguarda invece lo studio delle leggi di controllo implementate su Arduplane e la loro modellazione, assieme ad altre parti del codice, in ambiente Matlab Simulink. Il sistema di controllo creato, chiamato Attitude Flight System, viene verificato con la tecnica del Software In the Loop in un simulatore di volo virtuale modellato anch’esso in Simulink, si utilizza la dinamica di un velivolo UAV di prova e il software FlightGear per l’ambiente grafico. Di fondamentale importanza è la verifica della compatibilità fra il firmware originale e il codice generato a partire dai modelli Simulink, verifica effettuata mediante test di tipo Hardware in the Loop. L’ultima parte della tesi descrive le prove di volo svolte per verificare le prestazioni della scheda su un aeromodello trainer.

Numerical and experimental investigation of turbulent dissipation

Turbulent energy dissipation is presented in the theoretical context of the famous Kolmogorov theory, formulated in 1941. Some remarks and comments about this theory help the reader understand the approach to turbulence study, as well as give some basic insights to the problem. A clear distinction is made amongst dissipation, pseudo-dissipation and dissipation surrogates. Dissipation regulates how turbulent kinetic energy in a flow gets transformed into internal energy, which makes this quantity a fundamental characteristic to investigate in order to enhance our understanding of turbulence. The dissertation focuses on experimental investigation of the pseudo-dissipation. Indeed this quantity is difficult to measure as it requires the knowledge of all the possible derivatives of the three dimensional velocity field. Once considering an hot-wire technique to measure dissipation we need to deal with surrogates of dissipation, since not all the terms can be measured. The analysis of surrogates is the main topic of this work. In particular two flows, the turbulent channel and the turbulent jet, are considered. These canonic flows, introduced in a brief fashion, are often used as a benchmark for CFD solvers and experimental equipment due to their simple structure. Observations made in the canonic flows are often transferable to more complicated and interesting cases, with many industrial applications. The main tools of investigation are DNS simulations and experimental measures. DNS data are used as a benchmark for the experimental results since all the components of dissipation are known within the numerical simulation. The results of some DNS were already available at the start of this thesis, so the main work consisted in reading and processing the data. Experiments were carried out by means of hot-wire anemometry, described in detail on a theoretical and practical level. The study of DNS data of a turbulent channel at Re=298 reveals that the traditional surrogate can be improved Consequently two new surrogates are proposed and analysed, based on terms of the velocity gradient that are easy to measure experimentally. We manage to find a formulation that improves the accuracy of surrogates by an order of magnitude. For the jet flow results from a DNS at Re=1600 of a temporal jet, and results from our experimental facility CAT at Re=70000, are compared to validate the experiment. It is found that the ratio between components of the dissipation differs between DNS and experimental data. Possible errors in both sets of data are discussed, and some ways to improve the data are proposed.

Ottimizzazione delle proprietà di restituzione della durata del potenziale d'azione in un modello di cardiomiocita ventricolare umano

Questo elaborato ha avuto come obiettivo la modifica di un modello matematico di potenziale d’azione ventricolare umano per migliorare la relazione che lega la durata del potenziale d’azione all’incremento degli intervalli diastolici, al fine di riprodurre correttamente i risultati sperimentali noti in letteratura. Ruolo principe nell’analisi e nell’implementazione di tale modello è stato quello dello ione calcio, coinvolto in numerosi processi chimici all’interno della cellula cardiaca, e responsabile anche della sua contrazione. Tutte le modifiche effettuate sono state fatte preservando la dipendenza inversa tra la durata del potenziale d’azione e le variazioni di calcio extracellulare, che costituiva il punto di forza del modello considerato rispetto alla sua versione originale. Le modifiche effettuate hanno riguardato in parte la struttura del modello (compartimenti, volumi) e in parte il calcium handling, ovvero la gestione del Ca2+ all’interno della cellula, in termini di flussi e correnti. Il modello così ottenuto, denominato “newORk”, è stato validato rispetto a numerosi protocolli sperimentali (sia di voltage-clamp, sia di current-clamp) presenti in letteratura e i risultati di simulazione hanno dimostrato un comportamento coerente con i risultati in vitro. In particolare la risposta del modello al protocollo S1S2, che non era fisiologica nel modello precedente, viene adesso riprodotta correttamente dal nuovo modello, presentando un aumento dell’APD all’aumentare dell’intervallo diastolico considerato. Il modello qui descritto può quindi essere ritenuto un importante, per quanto specifico, miglioramento nella descrizione matematica della elettrofisiologia cardiaca umana e potrà essere utilizzato per esplorare contesti clinici in cui le concentrazioni di calcio nel sistema cardiocircolatorio si modificano, come per esempio la terapia dialitica.

Modellazione e controllo avanzato di un velivolo multirotore : presso il Laboratorio di meccanica del volo

Grazie alla loro versatilità, i velivoli multirotore hanno ricevuto sempre più interesse durante gli ultimi anni, in ambito accademico e di recente anche industriale. Il lavoro presentato è volto a studiare e confrontare le moderne tecniche di navigazione e di controllo di questo tipo di velivoli. Difatti, spesso, gli algoritmi utilizzati sono stati limitati dalla capacità di calcolo del processore imbarcato e dalla qualità dei sensori utilizzati. Negli ultimi anni, però, lo sviluppo della microelettronica ha ricevuto un forte impulso (dovuto principalmente alla ricerca nell’ambito della telefonia), che ha portato all’abbattimento dei costi e alla nascita di progetti opensource, tra i quali le famose schede Arduino prodotte da Olivetti, attorno alle quali si sono sviluppati molti progetti di velivoli opensource. L’importanza di ciò, in ambito accademico, è rilevante, poiché consente l’utilizzo di algoritmi e di configurazioni hardware comprovati, lasciando spazio a modifiche e migliorie. Nel nostro caso, in particolare, si vuole osservare come complessi algoritmi di navigazione, resi possibili da un processore più potente, possano migliorare le prestazioni del noto progetto opensource ArduPilot [3]. Tali miglioramenti possono essere rilevanti in applicazioni per le quali sia richiesta una certa precisione nel posizionamento, come ad esempio lo studio di formazioni o la navigazione in ambienti angusti.