A novel data-driven control scheme for industrial applications to die casting

Die casting is a high-volume production process that consists in the fast injection of molten metal in a die. Mechanical and hydraulic advancements in die casting machines allow for new applications, such as in the field of structural components for the automotive industry. Standard schemes, that are commonly employed for the control of the injection process, are unable to exploit the inherent iterative nature of the process to tune and optimize the controller parameters in each specific machine. This limits the achieved performances, and consequently the quality of the produced pieces. The aim of this thesis is to provide a novel controller for the injection process, overcoming the existing tuning and performance limits, relying on a data-driven approach. In order to pursue this goal we analyze a die casting process, that refers to a modern machine architecture, by employing a physical prototype and a simulated model to perform tests and assess the quality of the developed solutions. The state of the art in die casting control techniques and the relevant schemes for identification in the literature are also reviewed and assessed against the requirements formulated by the partner company Idra SRL. The main achievement of this work is the design of a novel control architecture that relies on a technique for the direct tuning of a feedforward controller stemming from VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning). Results are achieved for a reliable application of such architecture to die casting machines, and an iterative procedure is defined to obtain an unsupervised, self-learned estimation of controller parameters. An external feedback controller is added, employing a Smith Predictor scheme, as an incremental contribution to reject residual errors that may arise with the prolonged use of a fixed feedforward action in a production environment. The proposed control scheme and tuning procedure are tested on the prototype and integrated in a production-ready software program, successfully meeting all the requirements.

La pressofusione (anche nota come pressocolata) è un processo di produzione in grandi volumi, che consiste nella rapida iniezione di metallo fuso in uno stampo. Gli avanzamenti tecnologici, meccanici ed idraulici, nelle macchine di pressofusione consentono nuove applicazioni, ad esempio nei componenti strutturali del settore automotive. Gli schemi standard, abitualmente utilizzati per il controllo del processo di iniezione, non sono in grado di sfruttare la natura iterativa del processo per tarare ed ottimizzare i parametri del controllore per ciascuna specifica macchina. Questo limita le prestazioni raggiungibili e, di conseguenza, la qualità dei pezzi prodotti. L'obiettivo di questa tesi è il progetto di un nuovo algoritmo di controllo per il processo di iniezione, superando gli attuali limiti di taratura e prestazioni, sfruttando un approccio basato sui dati. Per raggiungere questo obiettivo viene analizzato il processo di pressofusione, in riferimento a macchine dotate di una architettura moderna, utilizzando un prototipo fisico ed un modello simulato per eseguire prove e verificare la qualità delle soluzioni sviluppate. Inoltre, lo stato dell'arte nelle tecniche di controllo della pressofusione, nonché gli schemi di identificazione rilevanti presenti in letteratura, sono analizzati e confrontati con i requisiti posti dall'azienda partner, Idra SRL. Il principale risultato del presente lavoro è la progettazione di una nuova architettura di controllo per la taratura diretta di un controllore in feedforward derivata dalla tecnica VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning). Per la taratura dei parametri del controllore feedforward, si propone una procedura di tipo iterativo, che può essere affidabilmente utilizzata nelle macchine di pressofusione. Inoltre, un controllore esterno in retroazione è integrato nello schema di controllo, sfruttando uno schema a Predittore di Smith, come contributo incrementale per la reiezione di errori residui, che potrebbero comparire con l'uso prolungato di un'azione feedforward fissa in un ambiente di produzione. Lo schema di controllo proposto e la procedura di taratura sono testati sul prototipo ed integrati in un programma software, pensato per un pronto uso in produzione, soddisfacendo tutti i requisiti.