Area Scientifico Disciplinare: Ingegneria Industriale e dell'informazione

Testo italianoCONTROLLI INNOVATIVI NEI SISTEMI DI TRASPORTO AD ALTA VELOCITA'Testo ingleseINNOVATIVE CONTROLS IN HIGH SPEED TRANSPORT SYSTEMS

Testo italiano
CONTROLLO DEI SISTEMI MECCANICI ; SISTEMI TEMPOVARIANTI ; CONTROLLO ATTIVO ; PANTOGRAFI ; PROGETTAZIONE INTEGRATA DI SISTEMI MECCATRONICI ; TRENI AD ALTA VELOCITA` ; CAPTAZIONE DI CORRENTE

Testo inglese
CONTROL OF MECHANICAL SYSTEMS ; TIME VARYING SYSTEMS ; ACTIVE CONTROL ; PANTOGRAPHS ; DESIGN OF MECHATRONIC SYSTEMS ; HIGH SPEED TRAINS ; CURRENT PICKUP

Testo italianoBenedetto Allotta e` nato ad Agrigento nel 1963. Nel 1987 si e` laureato in Ing. Meccanica con il massimo dei voti presso l'Universita` di Pisa. Nel 1992 ha ottenuto dottorato di ricerca dalla Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa (http://www.sssup.it) dove, dal 1993, e` ricercatore in Meccanica Applicata alle Macchine (I07X)nell'ambito del PERCRO Lab (http://www-percro.sssup.it). Nel 2000 ha ottenuto l'idoneita` a prof. associato nel settore disciplinare I07X in una valutazione comparativa presso l'Universita` dell'Aquila. Dal 1996/97 tiene a supplenza corsi presso la Facolta` di Ingegneria di Pisa e, dal 1998/99, anche presso la Facolta` di Ingegneria di Firenze dove fa parte della Sezione di Meccanica Applicata. Attualmente tiene il corso di "Controllo dei Sistemi Meccanici", composto dai moduli di "Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici" e "Meccatronica" presso il D.U. in Ing. Meccanica a Pisa e il corso di "Meccanica dei Robot" (1 annualita`), presso il C.D.L. in Ing. Meccanica a Firenze. I suoi attuali interessi di ricerca sono: progetto integrato e di robot ed altri sistemi meccanici [1][2], controllo di robot basato su visione [3], meccatronica [4], controllo attivo delle vibrazioni in sistemi meccanici tempovarianti [5]. E` autore di circa 80 pubblicazioni, di cui 16 su riviste internazionali, e di 2 brevetti internazionali (per una lista completa delle pubblicazioni, vedi http://mapp1.de.unifi.it). E` responsabile di progetti di ricerca, convenzioni e contratti con enti pubblici ed aziende private per un ammontare di alcune centinaia di milioni di lire/anno.Testo ingleseBenedetto Allotta was born in Agrigento in 1963. In 1987 he received the laurea degree in Mechanical Engineering from the University of Pisa. In 1992 he received the Ph.D. degree in Robotics from the Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa (http://www.sssup.it), where he is currently an assistant professor of Applied Mechanics within the PERCRO Lab (http://www-percro.sssup.it); in 2000 he obtained the degree of associate professor from the University of L'Aquila, Italy. Since 1996/97 he gives courses at the School of Engineering of the University of Pisa and, since 1998/99, also at the University of Florence where he is with the Section of Applied Mechanics. He currently gives a 2-semester undergraduate course in Control of Mechanical Systems in Pisa and a 2-semester undergraduate course in Robotics in Florence. His current research interests are: integrated design of robots and other mechanical systems [1][2], visual servoing of robots [3], mechatronics [4], active control of vibrations in time-varying systems [5]. He is author of about 80 publications, including 16 papers on international journals, and 2 international patents (for a complete list of publications, see http://mapp1.de.unifi.it). He is responsible of several research grants and contracts coming from public agencies as well as private companies for a total amount of some hundreds of million lira (1 Euro = 1936.27 Lira).

1. ALLOTTA B., V. COLLA, G. BIOLI, "Kinematic Control of Robot Manipulators with Joint Constraints" , Rivista: Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Mecasurement and Control , Volume: 121, No. 3 , pp.: 433-442 , (1999) .
2. ALLOTTA B., L. BOSIO, S. CHIAVERINI, E. GUGLIELMELLI, "A redundant arm for the URMAD robot unit" , Rivista: Proc. of 6th International Conference on Advanced Robotics, Tokio, Japan , pp.: 655-660 , (1993) .
3. F. CONTICELLI, ALLOTTA B., "Robust Stabilization of Second-Order Image-Affine Systems" , Rivista: Systems and Control Letters , Volume: 39, No. 4 , pp.: 245-253 , (2000) .
4. ALLOTTA B., G. GIACALONE, L. RINALDI, "A Hand-Held Drilling Tool for Orthopaedic Surgery" , Rivista: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , Volume: 2, No. 4 , pp.: 218-229 , (1997) .
5. ALLOTTA B., L. PUGI, M. RINCHI, A. RINDI, "Alcune Esperienze su un Pantografo Dotato di Sistema di Regolazione della Forza di Contatto" , Rivista: Atti del XIV Congresso dell'Ass. Italiana di Meccanica Teorica ed Applicata , pp.: su CD , (1999) .

1.10.2 Personale universitario di altre Università

Nº	Cognome	Nome	Università	Dipart./Istituto	Qualifica	Settore scient.	Mesi uomo
							2000	2001

1.10.3 Titolari di assegni di ricerca

Nº	Cognome	Nome	Dipart./Istituto	Anno del titolo	Mesi uomo
					2000	2001

1.10.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)

Nº	Cognome	Nome	Dipart./Istituto	Anno del titolo	Mesi uomo
1.	CASILE	ANTONINO	SETTORE INGEGNERIA	2001	4
2.	COLLA	VALENTINA	SETTORE INGEGNERIA	1998	4
3.	CONTICELLI	FABIO	SETTORE INGEGNERIA	2000	4

1.10.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Nº	Qualifica	Costo previsto	Mesi uomo
1.	Ingegnere	45	18

1.10.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti

Nº	Cognome	Nome	Dipart./Istituto	Qualifica	Mesi uomo

Testo italianoProgetto e sperimentazione di pantografi asserviti per la captazione di corrente nei treni ad alta velocita`Testo ingleseDesign and test of servo-actuated pantographs for current pick-up in high speed running trains

Testo italianoSono ben noti i problemi che interessano la captazione di corrente dalla linea aerea nel settore dell'alta velocita` ferroviaria. Negli ultimi 25 anni, molti ricercatori hanno investigato il problema della captazione ottima. E` necessario mantenere circa costante la forza di contatto tra pantografo e catenaria, evitando cosi` distacchi, usura eccessiva dello strisciante e del cavo conduttore, inquinamento elettromagnetico e problemi di compatibilita` con la logica di bordo con compromissione della sicurezza. Vari gruppi di ricerca ed aziende stanno attualmente lavorando alla soluzione di tali problemi [Poetsch97,Kobayasi98,Lesser96,MOOG]. Una delle soluzioni proposte ai problemi citati e` quella di progettare pantografi asserviti dotati di un sistema di controllo capace di regolare alcune variabili di interesse (in particolare la componente normale della forza di contatto). L'intervento sui pantografi, rispetto alla modifica delle caratteristiche della linea, ha il vantaggio di avere costi piu` contenuti.
La ADtranz, societa` tedesca del settore ferroviario, ha siglato un intesa con le ferrovie tedesche (DB AG) che prevede che dopo che ADtranz avra` sviluppato un pantografo alte prestazioni, quest'ultimo venga gradualmente adottato inizialmente sui treni ad alta velocita` e successivamente anche sui treni regionali. A seguito di questa intesa, la ADtranz ha commissionato alla ABB (sede di Heidelberg) lo studio e la realizzazione di un prototipo di pantografo totalmente attivo la cui sperimentazione in laboratorio sembra aver dato buoni risultati. Successivamente, era previsto che venisse realizzato un prototipo idoneo a prove in linea piuttosto che in laboratorio.
Dal punto di vista della captazione di corrente, le ferrovie italiane hanno problemi maggiori rispetto alla situazione tedesca. In fatti la quasi totalita` della rete e` a 3KV CC, mentre nel molti paesi Europei usano lo standard 25KV AC. Questo richiede che una maggiore forza di contatto tra pantografo e linea sia mantenuta sulla linea configurata a 3KV CC, con la conseguenza che il valore ottimo e` nell'intervallo 180N-200N (rispetto ai circa 100N richiesti nella linea configurata a 25KV CA ). Inoltre, sulla rete italiana esiste una minore qualita` della posa della linea e sono stati documentati casi di differenze fino a 0.5m di quota della linea tra un palo ed il successivo (su tratti dove transitano treni ad alta velocita`). E` evidente dunque l'importanza del problema per il sistema ferroviario italiano, testimoniata anche dal supporto che le FS stanno dando al progetto mettendo a disposizione attrezzature e proprio personale.
Sebbene l'adozione di un sistema totalmente attivo ha degli indubbi vantaggi in termini di prestazioni ottenibili, l'affidabilita` del sistema di captazione risulterebbe essere fortemente legata al corretto funzionamento del sistema di controllo. Esiste allora un compromesso possibile che consiste nell'aggiungere alcuni sensori ed attuatori ad un pantografo tradizionale che permette, quindi, il funzionamento, sebbene non ottimale, anche in caso di guasto al sistema di controllo.
Tale soluzione ha inoltre il vantaggio di una maggiore accettabilita` da parte degli addetti e potrebbe rappresentare un passo intermedio verso l'adozione di pantografi totalmente attivi.
Il proponente fa parte dal 1998 della Sezione di Meccanica Applicata del Dipartimento di Energetica "Sergio Stecco" dell'Universita` di Firenze, i cui ricercatori hanno da tempo studiato il problema suesposto [Toni93], proponendo l'adozione pantografi dotati di sistemi di asservimento a cavo atti a regolare la forza di contatto tra strisciante e cavo conduttore durante l'esercizio.

PANTOGRAFO CON ATTUAZIONE A CAVO AGENTE SUL QUADRO PRINCIPALE
PANTOGRAPH WITH CABLE ACTUATOR ACTING ON THE MAIN FRAME

PANTOGRAFO CON ATTUAZIONE A CAVO AGENTE SUGLI STRISCIANTI
PANTOGRAPH WITH CABLE ACTUATORS ACTING ON THE CONTACT SHOES
Le pubblicazioni finora prodotte hanno riguardato lo studio teorico del problema. E` stata proposta una struttura innovativa del controllo che, agendo in parallelo ai dispositivi di attuazione normalmente in uso, garantisce comunque il pronto rientro in stazione anche in caso di guasto al sistema di controllo. Sono stati realizzati dei modelli a parametri concentrati del sistema e sono state svolte simulazioni numeriche per individuare le tecniche di controllo piu` idonee. Sulla base di dette esperienze e` stato realizzato, in collaborazione con l'U.T.M.R. (Unita` Tecnica Materiale Rotabile - Firenze) delle FS, un prototipo di pantografo asservito integrando a bordo un dispositivo di attuazione capace di applicare agli striscianti una forza aggiuntiva per compensare le fluttuazioni della forza di contatto striscianti-linea aerea che si instaurano durante la marcia a causa delle variazioni parametriche della linea aerea o di altri fenomeni di natura accidentale (difetti di posa, effetti aerodinamici, etc.).
COFINANZIAMENTO
Parte del cofinanziamento del presente programma di ricerca proviene dal Progetto Finalizzato MADESS del CNR, nell'ambito del quale il proponente e` responsabile di un'unita` operativa della SSSA, inserita in un progetto triennale (1998-2000) coordinato dal LIM del Politecnico di Torino (Prof. Reyneri). Il focus generale del progetto e` sull'applicazione industriale di tecniche di controllo e hardware di tipo neuro-fuzzy. Nell'ambito del progetto l'u.o. della SSSA sta studiando la possibilita` di applicare tecniche neuro-fuzzy nel controllo attivo delle vibrazioni in sistemi tempovarianti. Un primo caso di studio, per il quale e` in fase di realizzazione un banco di prova, e` costituito dalle viti a ricircolo di sfere, nelle quali nascono delle vibrazioni flessionali per effetto dell'interazione vite/madrevite. Un secondo caso di studio sara` costituito dal sistema pantografo/linea.Testo ingleseCurrent pick-up from overhead line in high speed trains presents problems which are very well known to the railway community. In the past 25 years, many researchers have investigated the problem of optimum current pick-up. There is the requirement of maintaining an almost constant the contact force between pantograph and catenary, thus avoiding losses of contact involving mechanical, electric and electromagnetic negative consequences, such as: excessive wear of pantograph and catenary, insufficient current pick-up, electromagnetic pollution and EMI compatibility. Various research groups and companies are currently looking for a solution to the cited problems [Poetsch97, Kobayasi98, Lesser96, MOOG99]. One of the proposed solutions to this problem is to design servo-actuated pantographs with a control system capable to regulate some relevant variables, such as the contact force, during operation.
The modifications of the pantograph, has the advantage to be less expensive with respect to modify the entire overhead line network. ADtranz, a leading German firm active in the rail industry, has signed an agreement with the German Railways (DB AG) aimed at the future adoption of an high performance pantograph, to be developed by ADtranz, first on high speed trains and in a second period also on regional trains. After the agreement, ADtranz has contracted to ABB (R&D site of Heidelberg, Germany) the study and prototyping of a new totally active pantograph whose experimental evaluation in laboratory tests has been satisfactory [MOOG99]. After the laboratory tests, a second prototype, suitable for line tests, had to be built.
As far as current pickup is concerned, Italian railways have bigger problems than German ones. In fact most of the network is 3KV DC wheter in many European countries the standard is 25KV AC. This requires that a higher force between contact shoes and line is maintained on the 3KV DC configuration, resulting in an optimum contact force ranging between 180N and 200N, (compared with the 100N force required in the 25KV AC configuration). In addition, poorer mechanical quality of the line (differences in height of up to 0.5m between a pole and the previous one have been measured and reported on the Italian network). It is then clear how important is the solution of the problem for the Italian Railways, testified by the big support (in equipment, know-how and manpower) that they are giving to the project.
Although the use of a totally active pantograph is certainly advantageous from the the viewpoint of potential performance, the reliability of the current pickup would be strongly related to the correct operation of the control system. There exists a compromise fail-safe solution consisting of adding some sensors and actuators to a conventional pantograph allowing non-optimal operation also in case of failure of the control system. This solution would also have the advantage of a better acceptability in the railways community and may represent an intermediate step towards the future adoption of totally active pantographs.
The proposer, since 1998, is with the Section of Applied Mechanics of the Department of Energetics "Sergio Stecco," University of Florence, whose researchers, since 1993, have proposed solutions [Toni93] for the placement of sensors and actuators on existing pantographs for high speed operation as well as their control with the purpose of regulating the contact force at a desired optimum level. Till now, the papers publicated by the group have concerned theoretical aspects of the problem. It has been proposed an innovative configuration of the control which acts in parallel to the already existing actuators, thus allowing prompt return to the station in case of failure of the control system. After the development of simulation models to evaluate performance and robustness of some control techniques for a servoactuated pantograph, a prototype has been recently been realized in collaboration with the U.T.M.R. (Unita` Tecnica Materiale Rotabile - Florence), Italian Railways (FS). The prototype consists in a commercially available pantograph ATR90 with an actuator on board, capable of exerting to the sliding foots a force devoted to partially compensating the oscillations of the contact force caused by the periodic parametric variations encountered during operation and by sporadic phenomena (such as defects in line placement, aerodynamic effects, etc.). An experimental campaign started in 1999 on a symmetric pantograph mounted on a train at rest interacting with a standard 3KV DC overhead line [Allotta99]. The experiments performed in 1999 have shown that it is possible to obtain good performance with the in-parallel servoactuated pantograph.
Co-funding
Part of the co-funding of this research programs comes from the special project on solid-state devices (project MADESS II) on the National Research Council (C.N.R.). In the framework of MADESS II, the proposer is responsible of an operating unit of the Scuola Superiore Sant'Anna, part of a 36 months (1998-2000) cooperative project co-ordinated by the Politecnico di Torino (Prof. Reyneri). The general focus of the project is on the industrial application of neuro-fuzzy control techniques and hardware. The operating unit of the proposer is investigating the poossibility of applying neuro-fuzzy control techniques to active damping of vibrations in time varying systems. A first case of study has been already identified -active damping of vibration in ball screws- and a testbench is being built. The pantograph/line system will be a second testbench.

[Toni93] G. Galeotti, M. Galanti, S. Magrini, P. Toni, "Servo actuated railway pantograph for high-speed running with constant contact force," Proceedings of the IMechE, part F - Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 207, pp. 37-49, 1993.

[Pascucci67] R. Pascucci, "Movimenti delle Condutture di Contatto delle Linee Ferroviarie Elettrificate," Ingegneria Ferroviaria, Vol. 1, 1967.
[Poetsch97] G. Poetsch, J. Evans, R. Meisinger, W. Kortoem, W. Baldauf, A. Veitl, J. Wallaschek, "Pantograph/Catenary Dynamics and Control," Vehicle System Dynamics, N. 5, pp. 159-195, 1997.
[Doyle89] J.C. Doyle, K. Glover, P.P. Khargonekar, B.A. Francis, "State-Space Solutions to Standard  and  Control Problems," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 34, N. 8, pp. 831-846, 1989.
[Diana96] G. Diana, F. Cheli, F. Resta, F. Miotto, "Controllo attivo nei pantografi per treni ad alta velocita`," Ingegneria Ferroviaria, N. 4, pp. 197-217, 1996.
[Balestrino94] A. Balestrino, O. Bruno, A. Landi, "Active Control for the Pantograph-Catenary System," Computer in Railways: Railway Design and Management - Computational Mechanics Publications, Vol. 1, pp. 277-284, 1994.
[Kobayasi98] T. Kobayasi, Y. Fujiasi, T. Tsuburaya, J. Satoh, Y. Oura, Y. Fujii, "Current Collecting Performance of Overhead Contact Line-Pantograph System at 425 km/h," Electrical Engineering in Japan, Vol.124, N. 3, pp. 73-81, 1998.
[Lesser96] M. Lesser, L. Karlsson, L. Drugge, "An Interactive Model of a Pantograph-Catenary System," Vehicle System Dynamics Supplement, N. 25, pp.397-412, 1996.
[Allotta99] B. Allotta, L. Pugi, M. Rinchi, A. Rindi, "Alcune Esperienze su un Pantografo Dotato di Sistema di Regolazione della Forza di Contatto," Atti della XIII Conferenza dell'Associazione Italiana di Meccanica Teorica ed Applicata, (su CD), Como, 1999.
[Allotta2000-1] B. Allotta, F. Angioli, M. Rinchi, V. Colla, "Constraints Identification of a Ball Screw in a Wood Machining Center," accepted for presentation at the International Conference on Acoustics, Noise and Vibration, Montreal, Quebec, Canada, August 8-12, 2000.
[Allotta2000-2] B. Allotta, L. Pugi, M. Rinchi, A. Rindi, "Experiments on a Pantograph with Active Contact Force Control," accepted for presentation, COMPRAIL 2000, Bologna, Italy, 2000.
[MOOG99] MOOG - Confidential internal report.

Testo italianoIl programma di ricerca prevede una campagna di prove sperimentali durante
il primo anno, svolte utilizzando un pantografo strumentato ed attuato in
parallelo gia` disponibile. In questa fase potranno essere testati algoritmi di controllo di vario tipo, anche proposti dalla unita` operativa di Cagliari con la quale l'unita` operativa della Scuola Superiore Sant'Anna si coordinera` strettamente. Il lavoro delle due unita` operative e` complementare, infatti il lavoro del gruppo di Cagliari sara` maggiormente orientato alla modellazione del sistema pantografo/linea ed allo studio di tecniche di controllo, mentre il lavoro dell'unita` operativa della Scuola Superiore Sant'Anna sara` dedicato maggiormente alla progettazione integrata del pantografo, inclusi l'hardware elettro-meccanico ed elettronico nonche' il software.
Contemporaneamente sara` progettato un nuovo pantografo totalmente attivo, strada attualmente perseguita in Germania da AD TRANZ e ABB in collaborazione con la MOOG [MOOG99]. Durante il secondo anno il nuovo pantografo verra` realizzato e testato in laboratorio ed a treno fermo. Lo scopo finale del progetto e` quello di avere a disposizione due soluzioni progettuali diverse da confrontare e mettere a punto prima di una auspicabile campagna di prove in linea.
ATTIVITA` DEL PRIMO ANNO
Le prove che si intendono svolgere nel primo anno sul pantografo strumentato esistente seguono la campagna di prove sperimentali svolte nel corso della primavera 1999 presso la sala prove elettriche (S.P.E.) di Empoli delle Ferrovie dello Stato ed interrotte alla fine del mese di giugno 1999. L’obbiettivo finale della sperimentazione è quello di verificare la possibilità di migliorare la captazione di corrente nei treni ad alta velocità mediante un pantografo servoassistito dotato di uno o due attuatori a cavo agenti in parallelo all’attuatore pneumatico presente sul pantografo scelto per la sperimentazione, ovvero il modello ATR90. Nelle figure 1 e 2 sono rispettivamente mostrati un diagramma a blocchi del setup sperimentale che sara` utilizzato e la localizzazione delle principali attrezzature sulla locomotiva

FIGURA 1: DIAGRAMMA A BLOCCHI DELL'APPARATO SPERIMENTALE CHE VERRA` UTILIZZATO NELLE PROVE DEL PRIMO ANNO DI ATTIVITA`
FIGURE 1: BLOCK DIAGRAM OF THE EXPERIMENTAL SETUP THAT WILL BE USED DURING THE TRIALS OF THE FIRST YEAR OF ACTIVITY

FIGURA 2: LOCALIZZAZIONE DELLE PRINCIPALI ATTREZZATURE SULLA LOCOMOTIVA
FIGURE 2: LOCATION OF THE MAIN COMPONENTS ON THE TRAIN
Le prove svolte nel 1999 hanno consentito di verificare le prestazioni di un regolatore di tipo PID applicato ad un attuatore agente sul quadro principale del pantografo. Il setup sperimentale consente di applicare disturbi sulla linea aerea, in modo da simulare l'effetto dell'avanzamento. Nella figura 3 e` mostrato schematicamente uno degli esperimenti svolti nel 1999, mentre in figura 4 in ascissa e` riportato il tempo ed in ordinata la forza di contatto. Inizialmente il controllore e` disattivato e viene applicato un disturbo periodico con frequenza di circa 1 Hz (corrispondente all'oscillazione di campata a 216Km/h) aspettando che il sistema pantografo linea vada a regime. Al tempo t=5s, viene attivato il controllo (nel caso riportato un regolatore PI con attuatore a cavo agente sul quadro principale) e viene imposto un set-point pari a 150N. Come si vede, si ha una sensibile riduzione dell'ampiezza delle oscillazioni.

FIGURA 3: ILLUSTRAZIONE SCHEMATICA DI UN ESPERIMENTO EFFETTUATO PER VERIFICARE LE CAPACITA` DI REIEZIONE DI UN DISTURBO DI POSIZIONE A BASSA FREQUENZA (1Hz).
FIGRE 1: SKETCH SHOWING AN EXPERIMENT PERFORMED TO DETERMINE THE REJECTION OF LOW FREQUENCY POSITION DISTURBANCE (1Hz)

FIGURA 4: RISULTATO SPERIMENTALE RELATIVO ALL'ESPERIMENTO DI REIEZIONE DEL DISTURBO A BASSA FREQUENZA. VIENE MOSTRATA LA FORZA DI CONTATTO IN FUNZIONE DEL TEMPO
FIGURE 4: EXPERIMENTAL RESULT IN A TEST ON REJECTION OF LOW FREQUENCY POSITION DISTURBANCE. THE CONTACT FORCE IS PLOTTED AGAINST TIME
Nel tempo disponibile per le prove , non è stato possibile provare anche altre configurazioni del controllo ritenute interessanti, ovvero:
1.  con attuatore agente sul quadro principale;
2. PID con attuatore agente sugli archetti;
3.  con attuatore agente sugli archetti;
4. Sliding mode.
Come è intuibile, vista la minor massa da movimentare, e come confermato dalle simulazioni effettuate [Allotta99], la configurazione più interessante è quella con attuatore agente sugli archetti [Balestrino94]. Contemporaneamente alle prove sperimentali verra` eseguito uno studio su un progetto di pantografo totalmente attivo (presumibilmente dotato di due attuatori) di cui verra` realizzato un modello di simulazione multibody facendo uso di Pro-Engineer Pro-Mechanica e/o Adams.
ATTIVITA` DEL SECONDO ANNO
Durante il secondo anno, con il bagaglio di conoscenze acquisite durante la fase di sperimentazione e durante la progettazione meccanica del nuovo pantografo, si procedera` al progetto dell'architettrua hardware e software del sistema di controllo. Il prototipo verra` poi commissionato all'esterno per quanto riguarda la realizzazione della parte meccanica e realizzato internamente per quanto riguarda l'assemblaggio dei componenti di controllo. Infine il pantografo verra` provato su banco presso il Centro di Dinamica Sperimentale delle FS - Firenze e, successivamente, provato su locomotiva ferma presso la Sala Prove Elettriche di Empoli.
RISULTATI ATTESI
1) valutazione delle prestazioni ottenibili con il pantografo ATR90 nelle varie configurazioni proposte con attuatori a cavo agenti in parallelo all'attuatore pneumatico (report);
2) valutazione e confronto di varie tecniche di controllo sul pantografo ATR90 attuato in parallelo (report);
3) progetto di un pantografo totalmente attivo e sviluppo di modelli di simulazione con sistemi multibody e/0 a parametri concentrati (codici di simulazione);
4) realizzazione di un prototipo da laboratorio di pantografo totalmente attivo (prototipo fisico);
5) valutazione del nuovo pantografo attraverso prove in laboratorio ed a treno fermo (report).Testo ingleseDuring the first year of the research program, a campain of experimental trials will be performed, using an available prototype [Allotta2000-2] of in-parallel servoactuated pantograph. In this phase, control algorithms av different type, including those proposed from the operating unit of the University of Cagliari. In fact, the operating unit of the Scuola Superiore Sant'Anna will closely collaborate with the operating unit of the University of Cagliari, being the work of the two groups complementary: the work of the group of the University of Cagliari will be focussed mainly on the control techniques, wether the group of the Scuola Superiore Sant'Anna will address hardware and software design as well as implementation issues. At the same time, a new totally active pantograph (this track is being followed by ADtranz and ABB in Germany in collaboration with MOOG [MOOG99]) will be designed and tested in simulations. During the second year, the new pantograph will be built and tested in laboratory and in trials with train at rest. The final goal of the project is to obtain two different design solutions (totally active pantograph and pantograph actuated in-parallel) to be compared and tuned before a future campaign of on-line trials.
ACTIVITY OF THE FIRST YEAR
The experimental trials of the first year with the existing pantograph follow a first campaign of tests performed in spring 1999 at the Electrical Trials Site (Sala Prove Elettriche) of the Italian Railways located in Empoli, Tuscany and stopped in June, 1999. The goal of these experiments is to verify the possibility to significantly improve current pickup in high speed trains by means of a servoactuated pantograph equipped with one or two cable actuators acting in parallel with the pneumatic actuator of the pantograph chosen for the trials (model Ansaldo Trasporti ATR90). A block diagram of the experimental setup that will be used in the tests is shown in figure 1, and the locations of the main components on the train is shown in figure 2.
The preliminary tests performed in 1999 allowed to verify the performance of a simple PID digital controller used to regulate the force between overhead line and contact shoe. The experimental setup allows to apply disturbances to the overhead line in order to simulate the effect of train velocity. In figure 3, it is one of the experiments performed, and in figure 4 the results obtained, with the contact force plotted as a function of time. The controller is initially inactive. A periodic disturbance of frequency 1Hz (corresponding to the main oscillation with a train speed of 216Km/h) is applied to the line and the system goes to regime. At time t=5s, the controller becomes active (in this case a simple PI regulator with cable acting on the pantograph main frame) and a set point of 150 N is imposed. As it is possible to see, there is a sensible reduction in force oscillations.
In the short time that was available to perform the trials, it has not yet been possible to test other interesting control configurations
such as:
1.  control with cable acting on the pantograph main frame;
2. PID control with cable acting on the contact shoes;
3.  control with cable acting on the contact shoes;
4. Sliding mode control.
As is it possible to guess, for the smaller mass to move, and as confirmed by simulations performed [Allotta99], the most promising configuration is the one with cable acting on the contact shoes [Balestrino94]. In parallel with the experimental activity on the existing pantograph, a study on the design of a novel, totally active pantograph (with at least 2 actuators) will be performed will be performed with extensive use of multibody modeling and simulation tools such as Pro-Mechanica and ADAMS. Simulations will help to optimize the design of the new pantograph that will be built during the second year.
ACTIVITY OF THE SECOND YEAR
During the second year, with the amount of knowledge obtained from the experimental results and from the mechanical modeling and simulations, the hardware and software design will start. The mechanical parts of the prototype will be sub-contracted, whether the control components will be assembled internally. The prototype will then be first tested at the Center of Experimental Dynamics of the Italian Railways (Centro di Dinamica Sperimentale C.D.S.), Florence and then more tests will be performed on train at rest at the Electrical Trials Site in Empoli.
EXPECTED RESULTS
1) evaluation of performance of an ATR90 pantograph with the different solution proposed of actuators acting in parallel to the conventional pneumatic actuator (report);
2) evaluation and comparison of different control techniques on the modified ATR90 pantograph (report);
3) design of a new totally active pantograph and implementation of multybody and/or lumped parameters simulation models for (simulation code);
4) construction of a prototype of the new pantograph (physical prototype);
5) evaluation of the new pantograph in laboratory trials and trials with train at rest (report).

Attrezzatura I
Descrizione

valore presunto (milioni)   percentuale di utilizzo per il programma

Attrezzatura II
Descrizione

valore presunto (milioni)   percentuale di utilizzo per il programma

QUADRO RD

4.1.1 Altro

QUADRO RA

4.2.1 Altro

(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")
 
 
 
 

Firma ____________________________________________	31/03/2000 08:43:10