A software model for rotorcraft flight control system analysis and simulation

The flight control system (FCS) is the most important avionic component of a rotorcraft. It is deeply integrated with the other systems on board and has a huge impact on performances, flying qualities and especially safety. The design of this system is not easy and needs frequent design reviews. The case of this study is a fly-by-wire flight control system. The pilot’s control inputs are processed and electric signals are sent to the flight control surface actuators without any mechanical linkage. The focus is on a mathematical model of the helicopter Sikorsky UH-60A Black Hawk [1] that is presented in the form of a block diagram. This model uses a modular architecture. Each module represents a single component of the FCS and has been studied and modified for this project. The software has been implemented and tested using for the campaign a state space model of the helicopter MBB Bo-105 and the parameters that configure the flight control system have been identified. The validation compares the data from the simulations with flight test data of the Bo-105 using doublet inputs on the three main axes controls during steady state horizontal flight. The aim of this work is to develop a software model of a FCS for rotorcrafts that can be easily modified tuning few parameters and be used to investigate the flight behaviour of a rotorcraft due to this important component. The use of a PID controller in place of the original system control blocks allows a quick tuning, while the modular architecture permits selective interventions that influence the motion around the single axes of the rotorcraft. Different sets of use of this component can be identified with the corresponding parameters of influence, to compose a library of the working points of the FCS.

Il flight control system (FCS) è il più importante componente avionico di un elicottero. E’ molto integrato con gli altri sistemi di bordo ed ha un forte impatto sulle prestazioni, le caratteristiche di volo e specialmente la sicurezza. Il progetto di questo sistema non è semplice e richiede frequenti revisioni. Il caso di studio qui presentato è un fly-by-wire flight control system: gli input di controllo del pilota sono processati e segnali elettrici sono inviati agli attuatori delle superfici di controllo del volo senza alcun collegamento meccanico. L’attenzione è concentrata su un modello matematico del flight control system dell’elicottero Sikorsky UH-60A Black Hawk [1], presentato nella forma di schema a blocchi. Questo modello presenta una struttura modulare, in cui ogni modulo rappresentante i singoli componenti dell’FCS è stato studiato e modificato per questo progetto. Il software è stato quindi implementato e testato usando per questa campagna un modello agli stati dell’elicottero MBB Bo-105 ed i parametri importanti per configurare il flight control system sono stati identificati. La validazione è stata quindi portata avanti comparando i dati della simulazione con i dati derivanti da alcuni test in volo del Bo-105 usando come ingressi delle doppiette sui comandi dei tre assi principali partendo da una condizione di volo orizzontale uniforme. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un modello software di un FCS per elicotteri che può essere modificato con facilità tarando alcuni parametri e utilizzato per investigare il comportamento in volo di un elicottero in funzione di questo importante componente. L’utilizzo di un regolatore PID al posto dei blocchi di controllo del sistema originale permette una regolazione veloce del sistema, mentre la sua modularità consente interventi e modifiche puntuali che influenzano il moto sui singoli assi dell’elicottero. Possono quindi essere individuate diverse modalità di utilizzo con i corrispondenti parametri che le influenzano, andando a definire una libreria dei punti di lavoro dell’FCS.