Vibrations reduction is one of the main issues in helicopters, due to the increasingly demanding performances. The aim of this thesis work is to design and control a fuselage anti-vibration system to reduce as much rotor induced vibrations as possible. The increase of comfort for both passengers and crew and the extension of components life cycle are the main advantages sought in the thesis. Starting from the load data obtained from test flights, excitation amplitude and its related frequency have been identified, and therefore a semi-active anti-vibration system has been designed. It consists of an active tuned vibration neutraliser, composed by two voice coil actuators and two elastic elements. The entire design process has been carried out by means of analytical and numerical tests. This solution provides a high grade of innovation since it has never been applied to this kind of problems before. Afterwards, it has been developed a suitable control strategy, whose main purpose is to tune device frequency to the excitation and to compensate damping and nonlinear effects. The control architecture has been implemented through two controllers: a PID and a LQR.Moreover an observer has been developed in order to enable the estimation of unknown parameters uncertainties and to filter out signals from noise. The results have shown that the two controllers both ensure satisfactory performances in terms of vibrations reduction. Finally, the proposed control logic and the controllers have been tested experimentally on a test bench with a scaled voice coil actuator. The study has been developed inside the Department of Mechanical Engineering at the Politecnico di Milano, as a result of the collaboration with Leonardo Helicopters within a larger project - the so called Comfort Project - whose purpose is to develop devices and strategies to reduce vibrations all over the helicopter and to achieve better comfort.
La riduzione delle vibrazioni è uno dei principali problemi negli elicotteri date le sempre più impegnative prestazioni richieste. L'obiettivo di questa tesi è di progettare e controllare un sistema anti-vibrazioni in modo da ridurre il più possibile le vibrazioni generate dal rotore principale sulla fusoliera. I vantaggi ricercati sono principalmente l’aumento del comfort, sia dei passeggeri che dell'equipaggio, e l'estensione della vita dei componenti. Partendo dai dati relativi alle forzanti ottenuti in diversi test in volo, l'ampiezza dell'eccitazione e la sua frequenza sono state identificate ed è stato, pertanto, progettato un sistema anti-vibrazioni semi-attivo. Quest'ultimo non è altro che un tuned vibration neutraliser attivo, composto da due attuatori voice coil e da due elementi elastici. L'intera progettazione è stata portata avanti con il supporto di verifiche analitiche e simulazioni numeriche. Questa soluzione presenta un elevato grado di innovazione dal momento che non è mai stata applicata a questo genere di problemi. Successivamente è stata sviluppata un'adeguata strategia di controllo, il cui scopo primario è di regolare la frequenza del dispositivo a quella del carico eccitante e di compensare lo smorzamento e gli effetti non lineari. L'architettura di controllo è stata implementata attraverso due controllori: un PID e un LQR. Inoltre è stato sviluppato un osservatore per consentire la stima di parametri ignoti e per filtrare i segnali dal rumore. I risultati mostrano che entrambi i controllori assicurano prestazioni soddisfacenti in termine di riduzione delle vibrazioni. Infine, la logica di controllo proposta è stata testata sperimentalmente su un banco prova con un attuatore voice coil di dimensioni minori. L'attività di ricerca è stata portata avanti all'interno del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano, come risultato della collaborazione con Leonardo Helicopters nell'ambito di un progetto su più larga scala, il cosiddetto Progetto Comfort, il cui scopo è di sviluppare dispositivi e azioni in grado di ridurre le vibrazioni sull'intero elicottero e di raggiungere un livello di comfort migliore.
Design and control of a helicopter fuselage anti-vibration system
Di MARZIO, MATTEO;Di GIROLAMO, FABIO
2017/2018
Abstract
Vibrations reduction is one of the main issues in helicopters, due to the increasingly demanding performances. The aim of this thesis work is to design and control a fuselage anti-vibration system to reduce as much rotor induced vibrations as possible. The increase of comfort for both passengers and crew and the extension of components life cycle are the main advantages sought in the thesis. Starting from the load data obtained from test flights, excitation amplitude and its related frequency have been identified, and therefore a semi-active anti-vibration system has been designed. It consists of an active tuned vibration neutraliser, composed by two voice coil actuators and two elastic elements. The entire design process has been carried out by means of analytical and numerical tests. This solution provides a high grade of innovation since it has never been applied to this kind of problems before. Afterwards, it has been developed a suitable control strategy, whose main purpose is to tune device frequency to the excitation and to compensate damping and nonlinear effects. The control architecture has been implemented through two controllers: a PID and a LQR.Moreover an observer has been developed in order to enable the estimation of unknown parameters uncertainties and to filter out signals from noise. The results have shown that the two controllers both ensure satisfactory performances in terms of vibrations reduction. Finally, the proposed control logic and the controllers have been tested experimentally on a test bench with a scaled voice coil actuator. The study has been developed inside the Department of Mechanical Engineering at the Politecnico di Milano, as a result of the collaboration with Leonardo Helicopters within a larger project - the so called Comfort Project - whose purpose is to develop devices and strategies to reduce vibrations all over the helicopter and to achieve better comfort.| File | Dimensione | Formato | |
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