TEMI DI RICERCA
L'attività di ricerca di Paolo Castaldi può essere suddivisa nei
seguenti temi:
1.Sviluppo di nuove metodologie di FDI per aerei, UAV e satelliti
(2005 ad oggi)
2.Sviluppo di nuove metodologie di Active Fault Tolerant Control
(AFTC) per Aerei, UAV e Satelliti (2006 ad oggi)
3.Sviluppo di metodologie per l'atterraggio in presenza di wind
shear (2011 ad oggi)
4.Sviluppo di nuove metodologie per l'identificazione di modelli
snapshot del tipo “Errors-in-variables” (EIV) con applicazione all'
A-RAIM per GPS/GALILEO (2004 ad oggi)
5.Sviluppo teorico ed applicazione di nuovi algoritmi di filtraggio
adattativo per la stima dei parametri e dello stato di sistemi
dinamici, applicati per la determinazione dei parametri di motori a
induzione (2004 ad oggi)
6.Sviluppo ed applicazione di schemi di Controllo, Identificazione
e Fault Detection a processi reali generici (circa dal 2000 ed in
alcuni casi ad oggi)
TEMA 1:
•è stata sviluppata una nuova metodologia lineare e polinomiale
per la FDI dei sensori di I/O di un aereo. Tale approccio, basato
sullo sviluppo di di un banco di generatori di residuo, è stato
confrontato, con metodi di FDI “classici” basati banchi di
generatori di residuo sviluppati mediante reti neurali o Unknow
Input Kalman Filter. Tale confronto è stato effettuato sia nel caso
di dinamiche longitudinali e latero-direzionali disaccoppiate che
accoppiate (condizione di volo di virata stretta). Particolare
rilievo è stato dato alla robustezza della metodologia: i
generatori di residui per la diagnosi sono disaccoppiati dal vento
(turbulence e wind gust) e robusti verso le incertezze di modello.
Infine, il confronto di cui sopra è stato ottenuto mediante un
simulatore di volo non lineare comprensivo del modello dei sensori,
attuatori e modello della turbolenza e dei wind gusts. Tali
simulazioni hanno mostrato le superiori prestazioni dell'approccio
proposto rispetto alle tecniche lineari presenti in
letteratura.
•Sviluppo di un nuovo schema di FDI basato sull'approccio
geometrico della teoria dei sistemi non lineari (Non Linear
Geometric Approach: NLGA). Per la prima volta in letteratura è
stato proposto uno schema NLGA per un modello di aereo non lineare
a 6 gradi di libertà considerando anche la dinamica non lineare del
motore e la dinamica longitudinale accoppiata a quella laterale
(volo in virata). Tale metodologia FDI ha portato allo sviluppo di
generatori di residui disaccoppiati dal vento (turbulence e wind
gust) e robusti sia agli errori critici di modello che alle
incertezze parametriche dovute ad imprecisione nella conoscenza
della condizione di volo. Il disaccoppiamento viene ottenuto
individuando, mediante il NLGA, sottosistemi affetti dal fault
considerato e non affetti dagli altri fault e disturbi da
disaccoppiare. Sulla base di tale sottosistema è possibile
progettare residui sensibili solo al fault considerato. I filtri
ottenuti sono stati testati, su simulatore di volo comprensivo del
modello dei sensori, attuatori e modello della turbolenza e dei
wind gust e confrontati con filtri progettati sulla base di reti
neurali o Unknow Input Kalman Filter. Le superiori prestazioni, in
termini dei parametri standard di valutazione di algoritmi FDI,
hanno confermato l'efficacia dell'algoritmo proposto.
•Lo sviluppo della ricerca ha portato al progetto non solo del
modulo FDI, ma anche del più generale modulo FDD (Fault detection
and Diagnosis) basato sul NLGA (NLGA-FDD). Tale unità fornisce non
solo la detection e l'isolamento del fault, ma anche la stima del
segnale fault nel dominio dei tempi. In tal modo si è aperta la
strada allo sviluppo del tema 2 (si veda sotto), ossia allo
sviluppo di un sistema di Active Fault Tolerant Control (AFTC)
basato sull'approccio NLGA (NLGA-AFTC). Infatti utilizzando un
ulteriore loop di retroazione, basato sulla stima del fault, è
possibile ottenere la compensazione del fault stesso, agente sugli
attuatori dell'aereo o del satellite. Peculiarità dello schema
proposto è che la stima del fault, grazie al NLGA, è disaccoppiata
dai disturbi agenti sul sistema (vento per gli aircraft e campo
gravitazionale o aerodinamico per i satelliti). Tale risultato
consente di ottenere una stima del fault asintoticamente unbiased e
robusta ai disturbi e quindi la reiezione del fault stesso.
TEMA 2
Un aspetto peculiare ed molto interessante è che l'approccio
NLGA-AFTC è valido concettualmente sia per gli “aircraft” che per
gli “spacecraft e anche su sistemi benchmark generici, come è stato
mostrato negli articoli più recenti, su rivista con IF ed anche in
sessioni ad invito in congressi internazionali. In particolare il
benchmark su cui è stato eseguito il confronto con altri metodi,
tra cui sistemi di Fault Tolerant Control (FTC) basati sul
notissimo e largamente applicato Sliding Mode Control (SMC), ha
mostrato come l'approccio NLGA-AFTC proposto permetta di ottenere
prestazioni globali superiori rispetto allo SM-FTC ed in
particolare nel transitorio successivo all'occorrenza del guasto.
Tale aspetto è molto importante nei sistemi aerospaziali, in quanto
lo NLGA-AFTC permette una minore deviazione nell'assetto e nella
traiettoria del sistema aerospaziale in seguito all'occorrenza di
un guasto sugli attuatori.
•Per aerei o UAV modellati mediante il 6DoF, od UAV basati su un
modello a 3DoF sono stati sviluppati differenti moduli di NLGA- FDD
disaccoppiati dai wind gusts e dalla turbolenza. In particolare è
stato mostrato come i filtri di FDD debbano avere una struttura
diversa a seconda del modello usato. Nondimeno tale investigazione
a mostrato come la base teorica del NLGA debba, in alcuni casi,
essere allargata al caso di modelli non affini. Aspetto molto
challenging e non presente in letteratura. I risultati ottenuti per
lo NLGA-AFTC basato sul modulo di FDD di cui sopra, sono stati
dimostrati essere superiori rispetto a quelli ottenibili mediante
altre metodologie di FTC.
•Anche nel caso degli “spacecraft” è stato sviluppato uno schema
del tipo NLGA-AFTC. In questo caso, per la prima volta in
letteratura, si è ottenuto il disaccoppiamento della stima del
fault (e quindi dello schema AFTC) dai disturbi gravitazionali o
aerodinamici, particolarmente rilevanti per satelliti LO (Low
Orbit, circa 500-800 km). Peculiarità dell'approccio è che molti
parametri del disturbo, come ad esempio la densità dell'aria nel
caso del disturbo aerodinamico, possono essere non noti. Ciò
consente l'applicazione della metodologia su pianeti in cui non si
hanno informazioni precise sull'atmosfera. In particolare è stato
dimostrato che l'entità del fault minimo rivelabile mediante il
modulo NLGA-FDD è inferiore rispetto a quella ottenibile mediante
altri metodi presenti in letteratura. Tale fatto consente di
ottenere un sistema NLGA-AFTC che consente la reiezione del guasto,
e quindi di ottenere un assetto più preciso, anche nei casi in cui
gli altri sistemi di FTC presenti in letteratura non attuano la
reiezione stessa.
Le diverse pubblicazioni al riguardo ottenute dal sottoscritto su
diverse riviste con alto IF e le numerose partecipazioni a convegni
internazionali anche come plenary lecturer o in sessioni ad invito,
varie citazioni in articoli di altri ricercatori, testimoniano il
gradimento e l'interesse per i temi sopra descritti presso la
comunità scientifica internazionale.
TEMA 3
Lo sviluppo di tale tema è stato oggetto di due
pubblicazioni. L'approccio consiste nel trattare le componenti del
WS come se fossero fault e quindi ottenerne una compensazione
mediante lo schema AFTC sopra descritto. I risultati pubblicati
sono molto promettenti ed introducono un valore aggiunto rispetto
alla letteratura presente nel settore ed agli autopiloti
comunementi utilizzati. Futuri sviluppi riguarderanno le
dimostrazioni di stabiliti del sistema di controllo
complessibo.
TEMA 4
A partire dai risultati teorici conseguiti nell'identificazione
dei sistemi Errors In Variables (EIV), è stato sviluppato un metodo
per la diagnosi della presenza di fault sulle pseudodistanze nelle
misure provenienti da GPS o GALILEO. L'approccio EIV, ipotizzando
che tutte le variabili in gioco siano affette da errori, consente
di ottenere più stime del dello stesso guasto. Imponendo vincoli di
consistenza tra le diverse stime, il sottoscritto a dimostrato come
sia possibile individuare l'entità del guasto ed il satellite su
cui esso agisce. Va detto, che la ridondanza, conferisce maggiore
robustezza al metodo rispetto ai metodi classici di FDI per GPS
basati su un'unica stima ottenuta col metodo dei minimi quadrati.
Ciò consente, in definitiva, di avere una stima più precisa della
posizione.
TEMA 5
Con riferimento a questo tema, che a portato, ad esempio, a
pubblicazioni su riviste con alto IF, va detto che le metodologie
teoriche sviluppate (sotto descritte) sono state applicate al caso
di motori ad induzione. Va detto che l'approccio può anche essere
applicato e generalizzato al caso dei sistemi aerospaziali.
•In particolare è stato sviluppato un nuovo osservatore adattativo
per la stima dei parametri di un motore ad induzione “at
standstill”. Il metodo è basato su una nuova forma canonica e su
una nuova legge di guadagno per l'osservatore. L'innovazione
principale, rispetto allo stato dell'arte, consiste nella struttura
di tipo parallelo dell'osservatore, particolarmente robusta ai
rumori presenti sui dati.
•Inoltre è stato sviluppato un nuovo osservatore adattativo per la
stima on-line dello stato e dei parametri della parte elettrica di
un motore a induzione. Il nuovo osservatore adattativo è basato su
un'architettura serie-parallelo sulla base di una nuova forma
canonica del modello.
I due filtri (struttura parallelo il primo e seri-parallelo il
secondo) sono stati applicati con successo ai motori presenti
presso il LAR dell'università di Bologna.
TEMA6
Paolo Castaldi ha sviluppato e quindi applicato varie tecniche di
identificazione e filtraggio:
•Blind Identification per canali di comunicazione. Le tecniche
usualmente utilizzate non sono congruenti con le realtà operative
(ipotesi di rumori bianchi di uguale varianza che si sovrappongono
ai segnali). Ho quindi proposto una nuova metodologia, basata su
tecniche sviluppate per l'identificazione di modelli EIV. La
metodologia estende i risultati presenti in letteratura in quanto
consente l'identificazione di sistemi corrotti da rumori additivi
con varianze diverse tra loro e caratterizzati da bassi rapporti
segnale/rumore.
•Molto importante ed originale, e pubblicata su rivista con alto
IF, è stata l'applicazione del metodo dell'autovettore per
l'identificazione delle costanti di tempo della curva di
rilassamento di un segnale NMR (Nuclear Magnetic Resonance) nello
studio delle caratteristiche dei mezzi porosi.
Altre applicazioni
•è stato svolto, in collaborazione con l'ITALTEL di Milano, un
approfondito studio sui problemi di modellistica e di tracking di
oggetti in movimento, in ambiente rumoroso.
•in collaborazione con la SASIB s.p.a. (ora ALSTOM s.p.s.) di
Bologna sviluppo nell'ambito di un progetto finalizzato CNR di una
metodologia per la diagnosi di malfunzionamenti di uno scambio
ferroviario
