Disturbance Observer Based Control: Design and Application to Fault Tolerant Systems

Il Disturbance Observer Based Control (DOBC) è un paradigma di progettazione di schemi di controllo per sistemi incerti in cui, oltre ad un controllore nominale, un osservatore del disturbo è progettato per fornire la stima in tempo reale dell'incertezza, permettendo un'azione di feed-forward. L'approccio DOBC è selezionato per risolvere problemi di controllo tollerante ai guasti. L'obiettivo della tesi è quindi duplice. Il primo obiettivo consiste nell’adattamento dell'approccio scelto per la soluzione di problemi applicativi di controllo in caso di guasti negli attuatori. Vengono principalmente affrontati guasti moltiplicativi, che possono essere interpretati come perdita di efficacia. I casi di studio e benchmark sono quelli dei multirotori, con diverse configurazioni. Il secondo obiettivo è quello di analizzare ed estendere l'applicabilità dell'osservatore del disturbo attualmente proposto in letteratura. Si indaga inoltre sulla possibilità che, per l’osservatore in esame, si possa ottenere una dinamica di errore lineare e tempo invariante. Per quanto riguarda il primo obiettivo, si mostra come il design proposto in letteratura possa essere adattato alla soluzione di diversi problemi applicativi. Tra questi vengono considerati i multirotori senza pilota, perché rappresentano sistemi tecnologici recenti i cui modelli sono consolidati in letteratura, intrinsecamente non lineari e che potrebbero beneficiare dell'osservazione dei disturbi e della loro compensazione a livello di controllo, al fine di garantire autonomia e sicurezza che sono al base di moderni sistemi robotici. In dettaglio, il primo caso considerato è quello del controllo del quadrirotore in caso di guasto, visto come una perdita di efficacia a livello di attuazione. Questo viene prima modellato come semplice termine additivo, successivamente considerato come termine moltiplicativo e trattato utilizzando un approccio modificato dell’osservatore del disturbo. Il caso di raffica di vento esterna, ovvero disturbo esterno, viene gestito in modo separata, poiché interessa diversi canali rispetto a quelli della perdita di efficacia. Il caso di studio è quello di una configurazione standard ad otto rotori e l’inseguimento di traiettoria viene eseguito con errori limitati ricorrendo ad un sistema esogeno a stato esteso. Inoltre, per le configurazioni standard e coassiali, viene proposto uno schema comune, dove la tolleranza ai guasti è risolta in fase di allocazione degli sforzi di controllo. Si discute infine uno schema per le nuove configurazioni ad angolo di pitch variabile, in cui l'osservatore del disturbo viene utilizzato per stimare forze e momenti che agiscono sul sistema. Per quanto riguarda il secondo obiettivo, la ricerca delle condizioni per cui l’osservatore possa ammettere una dinamica lineare e tempo invariante è affrontata mediante un approccio geometrico differenziale. Tali condizioni sono analizzate anche in riferimento alla convergenza dell’errore. Diverse forme normali e relativi cambiamenti di coordinate vengono studiati al fine di limitare il massimo grado di componenti indesiderate degli ingressi sconosciuti. Le forme normali proposte sono caratterizzate da condizioni sia necessarie che sufficienti, e se ne discute l'uso in fase di progettazione. Viene mostrato come il paradigma di progettazione dell'osservatore del disturbo possa essere esteso per una classe più ampia di sistemi e che la possibilità di una ricostruzione basata sull'osservatore del disturbo possa essere verificata attraverso un insieme di condizioni dichiarate. Viene mostrato come il progetto del controllo basato sull'osservatore del disturbo possa far fronte con successo a problemi di controllo tollerante ai guasti e, in particolare, con perdita di efficacia negli attuatori. Nel caso di recente configurazione con angoli di pitch variabili, l'osservatore del disturbo si propone come passo fondamentale per il rilevamento e la diagnosi dei guasti.