Automatica > Sistemi di controllo


Focus

Il gruppo di ricerca lavora su parecchie tematiche della scienza e della tecnologia del controllo automatico, con riferimento sia alla ricerca di base, sia ad applicazioni industriali. L’attività è suddividibile in 4 aree: Progetto del controllo, Identificazione dei modelli e analisi dei dati, Automazione dei veicoli e dei sistemi di traporto, Automazione dei sistemi energetici. La ricerca nelle prime due aree include una varietà di aspetti, che vanno dalle metodologie alle tecniche computazionali e agli studi di simulazione. In ambedue le aree, oltre allo studio di tematiche applicative effettuato mediante metodologie assestate, lo sforzo principale è dedicato agli sviluppi teorici più attuali e innovativi. La terza area copre applicazioni nell’ambito del controllo automobilistico e aerospaziali e va dal controllo del singolo veicolo al coordinamento di più veicoli fino alla gestione del traffico aereo. La quarta area riguarda alcuni aspetti della generazione, distribuzione e gestione dell’energia.

Risultati principali della ricerca


Progetto del controllo
  • Controllo e stima distribuiti.
    Sono stati studiati algoritmi decentralizzati basati sull’approccio Model Predictive Control (MPC); sono stati proposti controllori gerarchici MPC per specifiche classi di sistemi; è stato sviluppato un algoritmo innovativo MPC distribuito. Sono stati progettati Moving Horizon Estimators (MHE) distribuiti per reti di sensori e per sistemi partizionati.
  • Controllo periodico.
    Questa è un’area di ricerca tradizionale per il dipartimento. L’attività di ricerca recente ha riguardato le problematiche di tipo numerico che sorgono nel progetto di controllori sia periodici, sia stazionari per sistemi periodici lineari.
  • Controllo dei sistemi a commutazione.
    I principali argomenti di ricerca in quest’area sono: (1) progetto di cicli limite in sistemi oscillanti, (2) analisi della stabilità, della passività e delle prestazioni in media quadratica e robuste in presenza di vincoli sul tempo di residenza, (3) progetto di strategie di commutazione a retroazione dello stato o dell’uscita per il miglioramento delle prestazioni H2, Hinf e di passività, (4) controllo di sistemi a commutazione positivi con applicazioni alla terapia dell’infezione da HIV.
  • Controllo robusto.
    La ricerca in quest’area si è concentrata su: (1) controllo blending per prestazioni input-output multiobiettivo, (2) robustezza nei sistemi non lineari di Hammerstein con applicazione alla dinamica dei motori, (3) controllo di sistemi quantizzati con adattamento dei parametri per il miglioramento della robustezza L1 nei sistemi non lineari, con applicazionia un problema di colata continua
  • Controllo tollerante ai guasti.
    In ambito lineare e stazionario, si è considerato il progetto di controllori di basso ordine che garantiscono il tracking e la disturbance rejection in presenza di guasti negli attuatori e nei sensori. Sono stati considerati segnali esogeni di varie forme e regolatori sia centralizzati, sia decentralizzati.
  • Controllo iterativo.
    In quest’ambito di ricerca, è stato sviluppato un nuovo schema per il progetto iterativo del controllore che tiene conto esplicitamente dell’incertezza insita nel modello dell’impianto da regolare (controllo iterativo robusto).
  • Metodi randomizzati.
    E’ stata sviluppata una nuova tecnica, lo Scenario Approach, per risolvere in maniera efficiente i problemi di ottimizzazione semi-infinita che nascono nel trattare sistemi incerti. La più importante acquisizione è una nuova tecnica che permette di modulare la robustezza nei problemi di controllo robusto in modo tale da evitare il conservatorismo.
  • Sistemi stocastici ibridi.
    E’ stato affrontato mediante la programmazione dinamica il problema di progettare un controllore in retroazione sullo stato che massimizzi la probabilità che un sistema stocastico ibrido (SHS) rimanga all’interno di una certa regione di safety. Sono stati studiati gli aspetti computazionali legati alla soluzione numerica delle equazioni di programmazione dinamica risultanti. E’ stato sviluppato uno schema in due passi per il model checking approssimato di sistemi SHS. E’ stato studiato un metodo per costruire un’astrazione del SHS che rende possibile il calcolo per l’analisi di raggiungibilità anche in sistemi complessi.
  • Controllo attivo del rumore e delle vibrazioni.
    In questa area di ricerca sono stati affrontati due problemi metodologici diversi, ovvero il controllo nonlineare del rumore mediante modelli NARX, per contrastare gli effetti di distorsione e saturazione dei microfoni, e lo sviluppo di algoritmi adattativi efficienti per l'attenuazione di segnali non Gaussiani con caratteristiche impulsive. Inoltre, è stata studiata l'implementazione di un compensatore general purpose di disturbi multitonali su un'architettura di calcolo ad alta velocità, basata su un Field Programmable Gate Array (FPGA).
  • Modellistica e controllo di sistemi a eventi discreti mediante reti di Petri.
    In quest'area di ricerca sono stati investigati vari approcci formali per la modellizzazione di sistemi manifatturieri flessibili e processi batch. Sono stati inoltre sviluppati diversi algoritmi innovativi per la prevenzione dei deadlock, basati sul controllo di sifoni, tra cui uno schema di disaccoppiamento delle risorse e un approccio basato sul set covering per abbinare in modo ottimale i sifoni che si possono svuotare con le marcature critiche.


Identificazione dei modelli e analisi dei dati
  • Metodi di identificazione a sottospazi.
    I metodi a sottospazi costituiscono un approccio consolidato al problema dell’identificazione multivariabile. La ricerca in quest’area ha riguardato la messa a punto di algoritmi per l’identificazione di modelli a tempo continuo. In particolare, sono stati sviluppati algoritmi sia per modelli LTI sia per modelli LPV e sono stati studiati i problemi legati all’implementazione ricorsiva degli algoritmi.
  • Identificazione di modelli intervallari per la predizione.
    Un modello intervallare per la predizione è un modello che restituisce intervalli di confidenza per i valori futuri dell’uscita del sistema sotto osservazione. In questa ricerca, è stato proposto un nuovo metodo per l’identificazione di modelli intervallari a minima ampiezza degli intervalli restituiti. La caratteristica fondamentale del metodo proposto è la possibilità di certificare il livello di confidenza degli intervalli senza formulare ipotesi sul meccanismo di generazione dei dati.
  • Metodi di identificazione a minimizzazione dell’errore di predizione.
    A seguito di alcuni risultati che hanno messo in luce la possibile inadeguatezza della teoria asintotica dell’identificazione, in questa ricerca sono stati proposti nuovi approcci per la valutazione della incertezza di un modello identificato che si basano su tecniche di ri-campionamento statistico come sub-sampling, jackknife e bootstrap.
  • Identificazione non lineare.
    Si è considerato il problema di sviluppare algoritmi innovativi per l’identificazione di modelli polinomiali non lineari ARX. In particolare il problema della stima dei parametri è stato affrontato minimizzando l’errore di simulazione, con l’uso di modelli di predizione a orizzonte crescente.
  • Progetto del controllore basato su dati.
    Il paradigma Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) per il progetto del controllo è basato sulla riformulazione dei problemi di controllo in problemi di identificazione. Il VRFT permette di tarare direttamente un controllore appartenente a una data classe senza effettuare alcuna procedura di stima del processo. Il metodo è ora pronto all’uso per le applicazioni pratiche perché è stato sviluppato un apposito toolbox Matlab.


Automazione dei veicoli e dei sistemi di traporto
  • Dinamica e controllo di veicoli stradali.
    Una comprensione completa dello smorzamento semi-attivo ha portato a nuovi metodi e algoritmi per sistemi di sospensione.
  • Veicoli Single-track e narrow-track.
    Sono stati studiati il controllo della dinamica dei motocicli e l’inclinazione dei veicoli a 3 e 4 ruote.
  • Veicoli elettrici.
    Il focus della ricerca è stata la co-progettazione di veicoli dinamici e strategie di gestione e controllo dell'energia. Due nuovi veicoli sono stati concepiti, brevettati e prototipati: la "Bike +" (un nuovo concetto di non-plug nella bici elettrica) e la "Flyboard" (un veicolo per la mobilità interna con HMI per smartphone).
  • Modellistica e controllo di batterie al litio.
    L'attività di ricerca è stata focalizzata sullo sviluppo di nuovi modelli per vari tipi di celle agli ioni di litio e Li-Po. I modelli sono stati utilizzati per lo sviluppo di algoritmi per la stima di Stato-di-carica e la stima di Stato-di-salute. La ricerca è stata condotta sia usando un banco prova sia con esperimenti su veicoli.
  • Sistemi di trasporto intelligenti.
    I principali risultati ottenuti in questo campo riguardano lo sviluppo di algoritmi in tempo reale per la stima dello stile di guida e lo sviluppo di un’architettura intersection-support, basata su smartphone e su un algoritmo centralizzato.
  • Controllo attivo della dinamica dell’elicottero.
    La ricerca ha come obiettivo lo studio della dinamica accoppiata rotore/fusoliera sotto l’azione di sistemi per il controllo attivo delle vibrazioni come lo Higher Harmonic Control. E’ stato proposto un approccio a tempo discreto al problema di analisi, che permette di caratterizzare la stabilità del sistema in anello chiuso tenendo conto della periodicità del sistema (sia per il rotore sia per il controllore).
  • Dinamica e controllo di veicoli spaziali.
    Sono stati studiati numerosi problemi legati alla stima e al controllo della dinamica di veicoli spaziali. Tra gli altri, sono stati sviluppati strumenti object-oriented per la modellistica e la simulazione dinamica di veicoli spaziali ed è stato messo a punto un nuovo algoritmo per la determinazione d’assetto di satelliti basato su misure di tipo vettoriale.
  • Sistemi di gestione del traffico.
    E’ stata sviluppata una metodologia per l’analisi di raggiungibilità di sistemi ibridi stocastici, con applicazione alla predizione di conflitti tra aeromobili. In aggiunta si è studiata la caratterizzazione di nuove metriche per la valutazione della complessità nel traffico aereo adatta ai sistemi di nuova generazione per la gestione del traffico aereo con aeromobili autonomi.


Automazione dei sistemi energetici
  • Modellistica e controllo di generatori eolici off-shore.
    La ricerca tratta lo sviluppo di modelli fisici di basso ordine di generatori eolici off-shore con piattaforme Tension Leg e Spar Buoy. Questi modelli sono stati usati per il progetto e la validazione di regolatori multivariabili nell’ambito dell’approccio Hinf. I sistemi di controllo sono stati validati in simulazione su simulatori di riferimento largamente utilizzati nella comunità scientifica internazionale.
  • Controllo di tensione di smart grid.
    E’ stato sviluppato un accurato ambiente di simulazione dinamica in accordo con un paradigma di simulazione a oggetti. Questo strumento è stato usato per progettare sistemi di controllo distribuiti in feeder radiali a media tensione. Lo schema di controllo è costituito da regolatori PI per il controllo dei generatori distribuiti e da un regolatore per ogni feeder, di tipo PI o MPC.
  • Modellistica e controllo di sistemi energetici.
    In questo campo la ricerca si è concentrata su tecniche innovative per l’attenuazione della concentrazione di anidride carbonica nei flues gas, per il controllo di celle a combustibile, per la gestione di smart grid.
  • Gestione dell’energia relativa al trasporto.
    L’attività di ricerca in questo settore si è concentrata sullo sviluppo della stima dell’impatto sulla rete di grandi flotte di veicoli elettrici, e sull’uso congiunto di pacchi di batterie per la mobilità e per lo stoccaggio di energia.