PORTALE DELLA DIDATTICA

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System identification and optimal control of wave energy conversion systems

01HVFRO

A.A. 2023/24

Course Language

Inglese

Degree programme(s)

Doctorate Research in Ingegneria Meccanica - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 25
Lecturers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Faedo Nicolas Ezequiel   Ricercatore L240/10 IIND-02/A 13 0 0 0 2
Co-lectures
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Context
SSD CFU Activities Area context
*** N/A ***    
Il percorso verso una decarbonizzazione della produzione energetica mondiale richiede intrinsecamente una maggiore penetrazione di un mix di fonti energetiche rinnovabili. L'energia da moto ondoso ha un enorme potenziale per contribuire al raggiungimento di questo obiettivo chiave. I dispositivi per convertire questa energia in energia elettrica sono chiamati convertitori di energia da moto ondoso (WEC). Questo corso si propone di introdurre lo studente ai principi fondamentali dei sistemi WEC. In particolare, l'identificazione del sistema e il controllo ottimale di questi dispositivi saranno l'obiettivo principale, che fornirà allo studente una serie di strumenti che possono essere utilizzati per ottimizzare il funzionamento dei dispositivi WEC. Gli elementi teorici richiesti saranno discussi di conseguenza, ponendo l'accento su un approccio multidisciplinare, che includa tecniche trasferibili ad altre applicazioni di energia rinnovabile.
Presentazione The pathway towards decarbonisation inherently requires a higher penetration of a variety of renewable energy into the mix. Ocean wave energy has a massive potential to contribute towards achieving this key goal. The devices in charge of converting this energy into usable power are called wave energy converters (WECs). This course aims at introducing the student to the fundamentals of the principles underlying WEC systems. In particular, system identification and optimal control of these devices will be the main focus of the course, providing the student with a set of tools that can be used to optimise the operation of WEC devices. The required theoretical elements will be discussed accordingly, making emphasis on a multidisciplinary approach, including techniques which are transferrable to other renewable energy applications.
Nessuno. Si consiglia la conoscenza base di Matlab e Simulink.
None. Basic knowledge of Matlab and Simulink is adviced.
1. Introduzione ai sistemi dinamici: principi base dei sistemi lineari tempo-invarianti (LTI) e loro rappresentazioni. 2. Modellazione onde oceaniche: Teoria lineare delle onde. Rappresentazione statistica delle onde oceaniche. Catene di Markov e teoria della realizzazione. 3. Modellazione idrodinamica nel dominio del tempo: Modelli nel dominio del tempo calcolati a partire da modelli nel dominio della frequenza, utilizzando, ad esempio, le relazioni di Ogilvie, la convoluzione della radiazione e le approssimazioni a spazi di stato. 4. Sistemi Power Take-Off (PTO) e modellazione di convertitori di energia da modo ondoso (WEC): Sistemi PTO adottati in letteratura, compresi attuatori elettrici e trasmissioni idrauliche, e il loro effetto sulla dinamica complessiva del WEC. Modellazione e simulazione nel dominio del tempo. 5. Introduzione ai sistemi di controllo: Obiettivi fondamentali dell'ingegneria del controllo e applicazioni per modificare la dinamica di un sistema dinamico, con particolare attenzione al caso del controllo dei sistemi WEC. 6. Fondamenti di controllo lineare applicato a sistemi WEC: Principi alla base del controllo ottimale per i sistemi WEC, formulazione e descrizione delle condizioni di ottimali per il massimo assorbimento di energia. 7. Controllo di sistemi WEC non lineari: taratura di un controllore parametrico applicato a WEC non lineari attraverso rappresentazioni spettrali (linearizzazione stocastica). 8. Introduzione all'identificazione dei sistemi dinamici: Obiettivi fondamentali nell'identificazione dei sistemi dinamici e come questo può essere impiegato per calcolare modelli basati sui dati per i sistemi WEC. Identificazione non parametrica e parametrica basata su funzioni di trasferimento empiriche. 9. Identificazione dei sistemi dinamici applicata a sistemi WEC: Identificazione grey-box e black-box per i sistemi WEC, con particolare attenzione alla definizione di segnali di input adatti a generare dati di output rappresentativi e tecniche di parametrizzazione dei modelli. 10. Controllo avanzato di sistemi WEC: Panoramica delle parametrizzazioni alternative per il controllo di sistemi WEC lineari basate su composite loops e controllo ottimale per i sistemi WEC (ad esempio, MPC/controllo spettrale/controllo pseudo-spettrale). 11. Sessione di scrittura codice MATLAB: Implementazione di strategie di controllo avanzate in MATLAB utilizzando un sistema WEC concettuale.
1. Fundamentals of dynamical systems: Basic principles of linear time-invariant (LTI) and their representations. 2. Ocean waves: Linear wave theory. Statistical representation of ocean waves. Markov chains and realization theory. 3. Time-domain modelling: Time-domain models computed from the previously described frequency-domain models, addressing e.g. Ogilvie-relations, radiation convolution, state-space approximations, among others. 4. Power take-off (PTO) systems and wave-to-wire modelling: Well-adopted PTO systems in the literature, including e.g. electric and hydraulic actuators, and their effect on the overall WEC dynamics. Modelling and simulation in the time domain. 5. An introduction to control systems: Fundamental objectives of control engineering, and how this can be applied to modify the dynamics of a given system, with special emphasis on the WEC control case. 6. WEC linear control fundamentals: Principles underlying optimal control for WEC systems, explicitly deriving a set of optimality conditions for maximum energy absorption for generic devices. 7. Extending notions to nonlinear WEC control: Spectral-domain meets maximum energy absorption – accommodating nonlinearities within impedance-matching theory. 8. An introduction to system identification: Fundamental objectives of the general field of system identification, and how this can be employed to compute data-based models for WEC systems. Non-parametric and parametric identification based on empirical frequency-domain information. 9. System identification for WECs: Grey-box and black-box identification for WEC systems, with emphasis on the definition of suitable input signals for generating representative output data, and techniques to parameterise models. 10. Advanced control of WECs: Overview of alternative parameterisations for LTI WEC control based on composite loops, and direct optimal control for WEC systems (e.g. model predictive control/spectral control/pseudo-spectral control). 11. MATLAB Code Session: Implementation of advanced control strategies in MATLAB using a conceptual WEC system.
In presenza
On site
Presentazione orale
Oral presentation
P.D.2-2 - Marzo
P.D.2-2 - March