6 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
6.1 Conclusioni
Il lavoro svolto ha condotto alla realizzazione di modelli in grado di caratterizzare il funzionamento del Linear Force Motor (LFM) di una servovalvola ad azionamento diretto Direct Drive Valve (DDV), con una particolare attenzione alla descrizione del comportamento di quest’ultima in presenza di avarie elettriche di diverso tipo. Il funzionamento del LFM/DDV è stato modellizzato giungendo ad un risultato in accordo con le prestazioni ricavate dall’attività sperimentale svolta su una servovalvola disponibile presso i laboratori del DIA ed impiegata nel sistema di attuazione dello stabilizzatore orizzontale di un moderno velivolo militare.
Nella parte iniziale dello studio è stato sviluppato un modello teorico del LFM a quadruplice ridondanza impiegando la teoria dei circuiti magnetici equivalenti e ricavando l’andamento della forza di origine magnetica agente sull’armatura in funzione delle correnti di eccitazione degli avvolgimenti e dello spostamento dello spool. In seguito è stato sviluppato in ambiente Matlab/Simulink® un modello della dinamica dell’intera servovalvola sia per le condizioni operative normali (nessuna avaria) sia in presenza di due possibili tipologie di guasto ai circuiti di alimentazione delle bobine: il circuito aperto ed il cortocircuito.
Il modello di simulazione della DDV sviluppato per le condizioni operative normali è stato opportunamente modificato in modo da essere eseguito come “macchina a stati”, usufruendo del toolbox Stateflow di Matlab/Simulink®. L’uso delle logiche Stateflow ha consentito una notevole riduzione delle risorse di calcolo ed un’agevole implementazione del generico processo decisionale.
La seconda fase del lavoro è stata dedicata alla caratterizzazione sperimentale della dinamica della servovalvola DDV relativa ad un attuatore di uno stabilizzatore orizzontale, effettuando una campagna di test al banco prova attuatori dei laboratori DIA. Il comportamento dinamico della DDV è stato caratterizzato in corrispondenza di diverse condizioni operative (normali o in presenza di avarie di circuito aperto o di cortocircuito sulle bobine).
I dati sperimentali raccolti, assieme ad informazioni fornite dal costruttore, sono stati successivamente utilizzati per effettuare il set-up dei dati in ingresso al modello e per convalidare i risultati di simulazione dello stesso. Per quanto riguarda le caratteristiche magnetiche dei materiali, esse sono state tratte da informazioni bibliografiche, mentre, non avendo avuto a disposizione informazioni dettagliate sulla configurazione geometrica interna del LFM in esame, essa è stata ipotizzata simile a quella del LFM di una servovalvola DDV di impiego industriale.
Nell’ultima parte del lavoro, è stato effettuato uno studio sull’effetto delle due avarie studiate nella risposta della servovalvola, mettendo in evidenza la variazione del comportamento dinamico sia a regime che nel transitorio di funzionamento. Questo studio ha consentito di elaborare due possibili logiche di compensazione delle avarie, una per la failure di circuito aperto ed una per la
failure di cortocircuito, che possono essere implementate all’interno del sistema
di controllo della servovalvola, in modo che l’eventuale guasto non possa alterare la risposta dinamica dell’attuatore.
I risultati forniti dall’attività sperimentale, unitamente ad alcuni dati di targa forniti dal costruttore, e la modellizzazione Simulink® sono stati confrontati mediante analisi di tipo statico (mappe forza-corrente e forza-spostamento) e valutando il ciclo di isteresi del LFM; inoltre altri raffronti sono stati effettuati attraverso l’analisi dei transitori di risposta per ingressi ad onda quadra ed infine per mezzo della risposta in frequenza.
Per quanto riguarda l’analisi statica, si verifica una perfetta sovrapposizione dell’andamento forza-corrente intorno alla posizione centrata dell’armatura nell’intero range di correnti considerato, mentre, in condizioni di funzionamento corrispondenti ad elevati valori di corrente ed a posizioni di spool vicine al fine corsa, si verifica una sostanziale differenza tra i due risultati. In particolare è possibile notare come l’analisi sperimentale evidenzi fenomeni di saturazione non presenti nei risultati del modello. Ciò è riconducibile alla scelta del tipo di materiali nel modello, in particolar modo il valore di permeabilità e la soglia Hsat
oltre il quale si manifestano gli effetti di saturazione magnetica nei materiali ferromagnetici dolci. Tali valori potranno essere assegnati con maggior precisione una volta note le caratteristiche dei materiali realmente impiegati all’interno del LFM/DDV.
Il ciclo di isteresi del modello è ovviamente più stretto di quello sperimentale, non essendo presente una descrizione delle forze di attrito coulombiano, tuttavia il modello riproduce sia la linearità della tensione del trasduttore LVDT rispetto alla tensione di comando nella zona centrale del grafico sia un parziale effetto di isteresi generato dalla presenza della forza di attrito viscoso.
Infine, per quanto concerne la caratterizzazione dinamica del LFM, mentre le condizioni di Normal Operation e di avaria di cortocircuito presentano un’ottima corrispondenza con la realtà in termini sia di banda passante che di asintoto di bassa frequenza, la condizione in cui sono presenti due bobine in circuito aperto non viene fedelmente riprodotta dal modello. Il confronto tra il modello teorico ed i dati sperimentali ha evidenziato i limiti dell’analisi con circuito magnetico equivalente essenzialmente riconducibili alle ipotesi iniziali fatte sugli andamenti dei flussi magnetici in presenza di avarie di circuito aperto; una volta corretti tali andamenti, è stato quindi possibile giungere ad un riscontro vicino a quello ottenuto con la prova sperimentale anche per la condizione di avaria di circuito aperto.
A conclusione del lavoro è possibile affermare che la metodologia di analisi sviluppata può essere impiegata sia per la progettazione preliminare di motori elettrici per servovalvole DDV sia per il progetto dell’intero FCS di velivoli con tecnologia FBW, con particolare riferimento alla valutazione delle prestazioni del sistema di attuazione in condizioni di avarie elettriche.
Ad esempio, in un FCS a quadruplice ridondanza con logiche di monitoraggio per confronto, i modelli sviluppati, funzionando in “Real-Time”, possono essere utili per la riduzione delle soglie di accettazione dei segnali.
6.2 Sviluppi
futuri
Le attività di studio svolte hanno messo in luce alcuni aspetti critici del modello teorico sviluppato: non sono state tenute in considerazione le forze di attrito coulombiano presenti sullo spool e le forze di flusso generate dalla portata dell’olio all’interno del servovalvola prendendo in considerazione le sole forze magnetiche generate sullo spool dall’LFM. D’altro canto, anche le prove sperimentali sono state effettuate in assenza di flusso d’olio e quindi con forze di flusso nulle. La simulazione delle condizioni operative in presenza di flusso d’olio e lo studio del comportamento dinamico della servovalvola potranno essere oggetto di prossime attività di studio.
L’integrazione nel modello di una più accurata descrizione dell’andamento dei flussi magnetici in condizioni di failure di circuito aperto ha condotto ad una maggior corrispondenza dei risultati con l’attività sperimentale; il modello così modificato si presta bene per il proseguimento di attività in cui analizzare lo studio di servovalvole aeronautiche a molteplice ridondanza elettrica.
Il futuro sviluppo di modelli ancor più sofisticati che assicurino la perfetta riproduzione del comportamento dinamico del componente con simulazioni
“Real-Time” potrebbero consentire di applicare un monitoraggio per via diretta con la possibilità di usare una triplice ridondanza, a patto di avere a disposizione sufficienti risorse di calcolo sui Flight Control Computer (FCC).
Ulteriori argomenti che potranno essere oggetto di prossime attività di studio sono infine gli effetti delle diverse avarie elettriche sul moto dell’attuatore.
