Sintesi e controllo di modelli ridotti per la dinamica dell'elicottero

This thesis work departs from previous studies on a multibody lightweight helicopter model, featuring an innovative gimballed two-bladed main rotor, and a speed-driven tail fenestron. Previous works lead to the realization of two different hover autopilots: the first one consisted on a cascade control system, based on decoupled PID loops, and the second one based on LQR optimal control. It has been decided to consider the second type of control to expand the range of velocities in order to cover the entire airspeed envelope of the helicopter. The trim problem has been analysed, i.e. that of finding an equilibrated solution corresponding to an assigned set of well-posed constraints defining the current flight condition of the aircraft, exploding a linearized, airspeed-scheduled model in order to find an equilibrated solution and maintain the helicopter close to it in a time-marching simulation. Starting from a linearized analytical model for hover, for higher airspeeds an approach through model identification has been envisaged in order to characterize a linearized, airspeed-scheduled system accounting for changes of the dynamics in forward flight. Then the linearized model has been used to design a new control law capable of maintaining the machine under trimmed conditions. A second methodology is proposed for the computation of the reduced linearized model applying a semi-analytical sensitivity analysis to the problem.

Questo lavoro di tesi riprende gli studi precedentemente fatti su un modello multicorpo di elicottero leggero, caratterizzato da un mozzo con doppia sospensione cardanica ad assi coincidenti e un fenestron di coda comandato in velocità. I lavori precedenti avevano condotto alla realizzazione di due autopiloti per l'hover: uno con controllo in cascata, basato su anelli PID indipendenti, e un secondo basato su controllo ottimo LQR. Si è quindi deciso di utilizzare la seconda tipologia di controllore e ampliare l'inviluppo di volo fino ad allora considerato (hover e basse velocità di volo) fino a raggiungere la massima velocità di volo avanzato per il modello di elicottero considerato. Si è quindi analizzato il problema del trimmaggio, ovvero la ricerca di una soluzione di equilibrio corrispondente a un set assegnato di vincoli ben posti che definiscano la configurazione di volo corrente, sfruttando un modello, linearizzato e pianificato in velocità, al fine di trovare una soluzione di equilibrio e mantenere il velivolo vicino ad essa durante la simulazione. Partendo quindi da un modello analitico linearizzato per la condizione di hover, per velocità più elevate è stato adottato un approccio di identificazione del modello con lo scopo di ricavarne un sistema linearizzato e pianificato in velocità che tenga conto dei cambiamenti della dinamica in volo avanzato, al fine di progettare una nuova legge di controllo in grado di mantenere il velivolo in condizioni trimmate alla nuova velocità di volo. Si propone inoltre una seconda metodologia per la computazione delle matrici del modello ridotto mediante un calcolo semi-analitico delle sensitività del sistema.