Modellistica e Sintesi di un Sistema di Controllo per il Posizionamento della Testina di un Hard Disk

The aim of this thesis is to apply the tools and the skills acquired during the "Fundamentals of Automatic Control" course, in order to analyze and model the physical system of a hard disk drive (HDD) head and, subsequently, to design a positioning control system for it during data reading and writing operations. The goal is to ensure both high precision and high speed in the head's movement, while minimizing the effects of possible disturbances. In the first part of the work, we yield a meaningful input-output model to describe the system in a simple and faithful to reality way. From this model, the transfer function is derived, followed by an open-loop system analysis, with the study of its stability, step response and Bode and Nyquist plots. In the second part, after establishing the desired time-domain control specifications — steady-state error, settling time and overshoot — and converting them into the frequency-domain — thus, pole multiplicity at the origin, crossover frequency and phase margin — the controller synthesis is performed. A technique used to reject sinusoidal disturbances within a specific frequency range is also addressed. In particular, a controller consisting of three lead compensators is designed using the procedures learned during the course. In the work, we want to deal with both theoretical and practical aspects, using MATLAB simulations, in order to obtain in the end a performing and robust control system.

Lo scopo di questa tesi è quello di mettere in pratica gli strumenti e le competenze acquisite nel corso di Fondamenti di Automatica per riuscire ad analizzare e modellare il sistema fisico della testina di un Hard Disk Drive, andando poi a progettare un sistema di controllo per il posizionamento della stessa nella fase di lettura e scrittura di dati. Si vogliono garantire sia precisione che velocità molto elevate nel movimento della testina, minimizzando gli effetti di eventuali disturbi. Nella prima metà del lavoro si ricava un modello ingresso/uscita significativo per descrivere il sistema in una maniera semplice ma allo stesso tempo fedele alla realtà. Dal modello si passa poi alla funzione di trasferimento e quindi all'analisi del sistema in catena aperta attraverso lo studio della stabilità, della risposta al gradino e dei diagrammi di Bode e di Nyquist. Nella seconda parte, invece, dopo aver stabilito le specifiche di controllo desiderate nel dominio del tempo – errore di regime permanente, tempo di assestamento e sovraelongazione – e averle trasportate in quello della frequenza – quindi molteplicità del polo nell’origine, pulsazione di attraversamento e margine di fase – si passa finalmente alla sintesi del controllore. Viene anche trattata una tecnica di reiezione per disturbi sinusoidali in un certo range di frequenze. Viene progettato, in particolare, utilizzando le procedure apprese durante il corso, un controllore formato da tre reti anticipatrici. Nel lavoro si cerca di toccare sia aspetti teorici che pratici, effettuando alcune simulazioni in Matlab, per poter ottenere alla fine un sistema di controllo che sia performante e robusto.