Modeling and control of a twin rotor system

This thesis is concerned with modeling and control of a Twin Rotor Multiple Input – Multiple Output System (TRMS). The system is going to be built as an experimental setup for control education, as part of a larger project. The system is composed of two rotors, a main beam and a counter-balance beam. Two rotors are placed with rotational axes perpendicular to each other on the main beam. The rotors can be used to control the attitude of the beam, and their effects are coupled due to the presence of drag torques. The aim of the thesis is to analyze and compare different control approaches for the TRMS. To achieve this goal, the dynamical model of the TRMS has been derived based on the known laws of physics. Then, three different control approaches have been considered. The first one consists of two decoupled PID controllers, one for the yaw motion, and the other for the elevation motion. The second approach is Linear-Quadratic Regulator (LQR). The third approach tested is Model Predictive Control (MPC). The designed controllers are tested under different simulation scenarios for comparison. The reference tracking properties of the corresponding control systems have been tested with a given reference trajectory. The reference trajectory has been selected to test the capability of the control system to promptly respond to setpoint variations on both pitch and yaw angles. Finally, simulation tests have been conducted using sinusoidal references as well.

Questa tesi riguarda la modellazione e il controllo di un sistema bi-rotore a più ingressi e uscite (TRMS). Il sistema suddetto sarà utilizzato come setup di laboratorio per lo studio di diversi aspetti della teoria dei controlli automatici. Il sistema è composto da due rotori, un braccio principale e uno montato perpendicolarmente, che funge da contrappeso. I due rotori sono posizionati perpendicolarmente l’uno rispetto all’altro sul braccio principale. Lo scopo della tesi è di analizzare e paragonare diversi approcci al controllo per il TRMS. Per ottenere questo, è stato ricavato un modello dinamico del TRMS basandosi sulle leggi della fisica. Quindi, tre diversi approcci al controllo sono stati considerati. Il primo consiste in due regolatori PID disaccoppiati, uno per l’imbardata, e l’altro per il moto di beccheggio. Il secondo approccio è un regolatore Lineare-Quadratico (LQR). Il terzo approccio testato è il controllo predittivo (MPC). I regolatori realizzati sono stati testati in diversi scenari di simulazione per realizzare un confronto. Le prestazioni dei sistemi di controllo sono state testate con una traiettoria di riferimento data. La traiettoria di riferimento è stata scelta per testare la capacità del sistema di controllo nel rispondere prontamente a variazioni del riferimento, sia sugli angoli di beccheggio, sia sugli angoli di imbardata. Infine, sono stati eseguiti test in simulazioni con ingressi di riferimento sinusoidali.