Control logic for active vibration suppression of helicopter stabilizers

Helicopters are vehicles subject to significant vibration problems which entail reduced comfort and can affect the fatigue life of some components. The principal cause of vibrations is the main rotor which transmits alternate loads to the fuselage with frequencies multiple of the angular speed of the rotor itself. Among the most stressed elements, there is the horizontal stabilizer which, due to its composite structure, is light and characterized by a low damping. This thesis, realized in collaboration between the Politecnico di Milano and the Helicopters division of Leonardo, is intended to design a specific control logic for active suppression vibration of the stabilizers. The disturbance analysis and the characterization of the dynamics of the structure had already been carried out. Based on these results, an inertial actuator had been designed and sized for the considered structure. In order to find the control logic that best fits the requirements of the company, different algorithms are taken into consideration. Among these, the choice has fallen on Enhanced Phase-Locked Loop (EPLL). This algorithm, which is capable of real-time identification and tracking of the main harmonic of the disturbance, calculates the control action of the actuator, such that it acts at those specific frequencies only. The numerical simulations and the experimental tests have shown that the algorithm is efficient, robust and able to respond promptly to small variation of disturbance frequency signal in seismographic region, while in resonance region small variation of disturbance frequency signal can promote high change in amplitude and phase which can be destructive. For better performance in resonance region, a "sky-hook" control logic is exploited in parallel, in order to increase the damping of the resonance. All the experimental tests have been performed tuning the control logic parameters for two identical actuators mounted symmetrically on the stabilizer.

Gli elicotteri sono velivoli soggetti a significativi livelli di vibrazioni, che possono peggiorare il comfort a bordo e ridurre la vita a fatica di alcuni componenti. La causa principale di tali vibrazioni è il rotore principale che trasmette alla fusoliera carichi alternati, la cui frequenza è multipla della velocità di rotazione del rotore stesso. Tra gli elementi più sollecitati, c’è il pianetto di coda che, a causa della sua struttura composita, è leggero e caratterizzato da uno smorzamento molto ridotto. Questa tesi, realizzata in collaborazione tra il Politecnico di Milano e Leonardo – Divisione Elicotteri ha come obiettivo la realizzazione di una logica di controllo per l’abbattimento delle vibrazioni sul pianetto di coda. Basandosi sull’analisi del disturbo e sulla caratterizzazione dinamica della struttura, un attuatore inerziale è stato progettato e dimensionato per la struttura considerata. Sono state considerate diverse logiche di controllo che potessero soddisfare i requisiti di Leonardo Elicotteri. Tra questi, la scelta è ricaduta sull’EPLL (Enhanced Phase Locked Loop). Questo algoritmo, che è in grado di identificare in tempo reale ampiezza e fase della principale armonica del disturbo, calcola l’azione di controllo dell’attuatore affinché esso agisca soltanto a quella specifica frequenza. Le simulazioni numeriche e i risultati sperimentali hanno dimostrato che l’algoritmo è efficiente, robusto e risponde prontamente a variazioni di frequenza del disturbo in zona sismografica; tuttavia in zona di risonanza anche una piccola variazione di frequenza del disturbo può determinare grandi variazioni in ampiezza e fase dell’azione di controllo, la quale potrebbe quindi risultare anche peggiorativa. Per ottenere risultati migliori in risonanza, una logica di controllo “Sky-Hook” è stata utilizzata in parallelo, al fine di introdurre maggior smorzamento. Tutte le prove sperimentali sono state effettuate sia utilizzando un singolo attuatore, sia utilizzandone due identici, montati simmetricamente sul pianetto.