Descrizione dellattività scientifica

L’attività di ricerca svolta riguarda essenzialmente i temi dell’identificazione di sistemi dinamici complessi e del controllo robusto. Tali temi sono stati sviluppati con particolare attenzione ai loro aspetti d’interconnessione, essendo l’identificazione rivolta a conseguire risultati adeguati alle esigenze del controllo robusto.

Identificazione

Per quanto concerne il tema dell’identificazione, la ricerca si è soprattutto focalizzata sulla determinazione di modelli matematici, detti modelli d’incertezza o model set, in grado di rappresentare appropriatamente sistemi dinamici complessi, ossia sistemi dinamici non perfettamente noti, esternamente stabili, a tempo discreto, lineari, tempo invarianti, causali, a dimensione non necessariamente finita. Tali modelli sono di tipo misto, parametrico e dinamico, in quanto costituiti dal cosiddetto modello nominale, parametrico e di dimensione finita opportunamente scelta, e da un termine additivo incerto, descritto da un insieme limitato che contiene tutte le possibili perturbazioni al modello nominale. Sono in tal modo considerati sostanzialmente due tipi d’incertezza: quella parametrica o statica, rappresentata da un iperrettangolo nello spazio dei parametri del modello nominale, e quella non parametrica o dinamica, rappresentata da una fascia di limitata larghezza nel diagramma di Bode del modulo della risposta in frequenza del modello nominale stesso. Sono stati quindi oggetto d’indagine i criteri di scelta della rappresentazione dell’incertezza, nonché i criteri di scelta del dosaggio della parte parametrica e di quella non parametrica all’interno del modello d’incertezza misto.

Nelle pubblicazioni [A.2, segnalata come I; B.6], supponendo di disporre di un numero finito di misure nel dominio del tempo corrotte da un rumore limitato in potenza, è risolto il problema di stimare in modo ottimo i parametri incerti del modello nominale e di valutare il raggio d’informazione, ossia il minimo errore d’identificazione nel caso pessimo. Per classi di modelli affini nei parametri, il raggio d’informazione risulta essere funzione della norma H¥ delle dinamiche non modellate. Si propone un metodo per stimare tale norma a partire dai dati disponibili e da alcune informazioni a priori sulle dinamiche non modellate, consentendo così di valutare l’effettivo raggio d’informazione. Il raggio rappresenta una misura dell’abilità predittiva della classe di modelli considerata ed è quindi utilizzato per confrontare la qualità di differenti classi di modelli e per selezionare l’ordine della loro parte parametrica. L’efficacia della procedura proposta è valutata considerando alcuni esempi numerici ed è confrontata con quella dei tradizionali criteri statistici per la scelta dell’ordine dei modelli.

Nell’identificazione set membership per il controllo robusto H¥, è importante la valutazione di limiti superiori in frequenza stringenti sul modulo dell’errore di modello. Nella pubblicazione [B.15, segnalata come VIII] si propone un algoritmo che, a partire da dati di misura nel dominio del tempo o della frequenza corrotti da un rumore limitato in ampiezza, calcola sia un limite superiore sia un limite inferiore dell’errore di modello che convergono l’un verso l’altro in maniera monotona. L’algoritmo può essere interrotto non appena si raggiunge l’accuratezza prefissata, consentendo significativi miglioramenti in termini di velocità di calcolo rispetto ai metodi esistenti in letteratura che garantiscono lo stesso grado d’approssimazione del risultato, come documentato dagli esempi numerici riportati.

Nelle pubblicazioni [B.17; B.18, segnalata come X], supponendo di disporre di un numero finito di misure nel dominio del tempo o della frequenza corrotte da un rumore limitato in ampiezza di cui sono eventualmente note proprietà di scorrelazione deterministica, viene innanzi tutto proposto un test per validare le informazioni a priori sul sistema e sul rumore in base ai dati sperimentali. Poiché l’identificazione di modelli d’incertezza ottimi nel caso considerato è un problema NP-hard, sono stati proposti in letteratura algoritmi più semplici, che comportano però un peggioramento nell’accuratezza dell’identificazione che spesso non è noto. Tale peggioramento può essere misurato mediante il livello di subottimalità, definito come il rapporto tra l’errore di identificazione ottenuto e il minimo errore ottenibile mediante l’algoritmo ottimo. Nelle due pubblicazioni viene quindi proposto non solo un metodo per valutare tale livello di subottimalità, ma anche un algoritmo interpolatorio che fornisce modelli d’incertezza pressoché ottimi, ancorché aventi modelli nominali di ordine elevato. Da tali modelli d’incertezza ne possono essere ricavati altri, caratterizzati da modelli nominali di ordine molto inferiore, che garantiscono di includere il modello ottimo ed il cui livello di subottimalità si mantiene prossimo all’unità.

Oltre al caso di errori di misura limitati, che porta a modelli d’incertezza cosiddetti "hard" che sicuramente includono il sistema da identificare, è stato analizzato anche il caso di errori di misura stocastici, che per la presenza degli errori di modello porta a problemi di stima non standard, con errori misti stocastico-deterministici. Nelle pubblicazioni [A.6, segnalata come III; B.9], relativamente al caso di misure corrotte da un rumore gaussiano di covarianza nota, è presentata una procedura per la determinazione di modelli d’incertezza cosiddetti "soft" che garantiscono d’includere il sistema da identificare con probabilità assegnata.

Si è inoltre considerato il problema dell’identificazione di modelli d’incertezza a partire da misure in catena chiusa, al fine di estendere la metodologia al caso di sistemi instabili in catena aperta. Nelle pubblicazioni [A.4; B.13, segnalata come VII], il modello è utilizzato per progettare un controllore robusto, le cui prestazioni sono misurate da una data norma H¥ in catena chiusa. Si ricava un modello d’incertezza ottimo del sistema rappresentato nella parametrizzazione duale di Youla, da cui si ricava un modello d’incertezza del sistema reale. Tale modello è infine utilizzato per progettare un controllore robusto e per valutare le prestazioni garantite in catena chiusa quando tale controllore è applicato al sistema reale.

Nelle pubblicazioni [B.12; B.16, segnalata come IX], si sono poi analizzate le proprietà di ottimalità e di convergenza degli algoritmi proposti per la stima di modelli d’incertezza, assumendo in particolare di disporre di alcune misure ingresso-uscita del sistema dinamico complesso, corrotte da un rumore stocastico limitato avente una funzione di densità di probabilità finita e non nulla agli estremi del supporto. L’obiettivo dell’analisi è stata l’identificazione della migliore approssimazione H¥ del sistema all’interno di una prefissata classe di modelli parametrici che può non contenere il sistema reale. Sotto un’opportuna condizione di eccitazione del segnale d’ingresso detta "persistenza della prestazione" e senza richiedere che il livello del rumore tenda a zero (come invece richiesto dai precedenti risultati di convergenza in letteratura), l’algoritmo proposto nella pubblicazione [B.12] risulta essere asintoticamente ottimo, tale cioè che il modello nominale stimato e l’errore di modello convergono, per valori finiti del limite sul rumore e con probabilità 1, rispettivamente alla migliore approssimazione H¥ del sistema reale e al minimo errore di approssimazione. Nella pubblicazione [B.16, segnalata come IX] si dimostra che alcuni ingressi tipici utilizzati in identificazione posseggono la proprietà di eccitazione richiesta.

Nella pubblicazione [A.5, segnalata come V] sono infine riportati i principali risultati di ottimalità e convergenza per gli algoritmi d’identificazione di modelli d’incertezza, relativi a differenti contesti sperimentali, informazioni a priori e norme utilizzate per misurare l’errore di approssimazione.

Controllo robusto

Per quanto riguarda il tema del controllo robusto, sono state sviluppate tecniche di analisi e di progetto di sistemi di controllo robusti basate su aritmetiche intervallari. In particolare, nelle pubblicazioni [A.1; A.3, segnalata come II; B.1; B.2; B.3; E.1; E.2] si sono analizzate le proprietà dell’algoritmo B3 (Bernstein Branch and Bound), basato sui polinomi di Bernstein, per l’analisi di robustezza nel caso di perturbazioni parametriche polinomiali. Nelle pubblicazioni [A.3, segnalata come II; B.7; C.4; E.1] viene mostrato come numerosi problemi, quali l’analisi della stabilità e delle prestazioni robuste di sistemi retroazionati in presenza di perturbazioni miste, ossia parametriche non lineari e non parametriche, nonché il progetto robusto di sistemi di controllo, possano essere risolti mediante algoritmi basati sulle cosiddette aritmetiche intervallari. Sono presentati alcuni dei principali algoritmi disponibili in letteratura e la loro efficacia è valutata in confronto con l’algoritmo B3, considerando vari esempi di analisi e di progetto robusti di sistemi di controllo. In particolare, nella pubblicazione [B.4] viene descritto un procedimento per la taratura robusta di PID industriali, mentre nella pubblicazione [B.5, segnalata come VI] tale procedimento viene utilizzato per progettare un controllore robusto all’interno di un sistema di sterzo a rapporto variabile per autoveicoli.

Interazione fra identificazione e controllo

Sono state proposte alcune procedure integrate d’identificazione e di controllo robusti di sistemi dinamici complessi, supponendo di disporre sia di misure ingresso-uscita corrotte da rumore, sia di informazioni a priori sul sistema da controllare e sulle caratteristiche del rumore.

Nelle pubblicazioni [B.8; B.10; B.14; C.2; C.3], si procede all’identificazione di un modello d’incertezza e, mediante tecniche di ottimizzazione H¥ e di eventuale riduzione d’ordine del controllore, si progetta un controllore che garantisca sia la stabilità robusta sia determinate specifiche di prestazione H¥. Si calcolano quindi le prestazioni robuste del controllore progettato, consentendo così di determinare i livelli di complessità sia del modello sia del controllore necessari per garantire le prestazioni desiderate in catena chiusa.

Nelle pubblicazioni [A.7a e A.7b, segnalate come IV.a e IV.b; B.11], una volta ricavato un modello d’incertezza del sistema, si procede alla taratura dei parametri di un controllore di struttura prefissata, ad esempio di tipo PID. Utilizzando l’algoritmo B3 sviluppato nella pubblicazione [A.3, segnalata come II], si determina il cosiddetto Q set robusto, ossia l’insieme di tutti i valori dei parametri del controllore che soddisfano le specifiche di prestazione desiderate, qualunque sia la perturbazione del sistema presente all’interno del modello d’incertezza precedentemente identificato. La valutazione del Q set e l’evidenziazione delle prestazioni che ne limitano i confini costituiscono un buon ausilio per il progettista che deve tarare i parametri del controllore, al fine di ottenere un bilanciamento ottimo fra le varie prestazioni in catena chiusa che possono essere garantite sul sistema reale.

Nelle pubblicazioni [A.4; B.13, segnalata come VII] è descritta una procedura per l’identificazione ed il controllo robusti di sistemi già retroazionati. La bontà del modello identificato viene misurata dalla differenza fra le prestazioni in catena chiusa predette dal modello e quelle effettivamente raggiunte sul sistema, e si dimostra che identificare il modello che minimizza tale differenza equivale a trovare il modello che meglio approssima la parametrizzazione duale di Youla del sistema reale in una norma H¥ opportunamente pesata.

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Data di creazione della pagina: 15 Ottobre 2000
Data dell’ultimo aggiornamento: 10 Novembre 2000