Advanced tiltrotor aircraft drive system modeling and control

Nowadays, tiltrotors represent a field that is continuously expanding and evolving: due to their vast applications, economic advantages and flexibility both in commercial and military cases. Vertical takeoff and landing allow to reach critical areas with reduced spaces, while cruising like an airplane reduce flight time between two locations. Modeling and control of the drive system of a tiltrotor has a fundamental role for the aircraft design; in fact rotor speeds and engine torques governing is focused on different aspects: from aircraft stabilization and performance to handling qualities and pilot workload alleviation. Control laws are usually obtained through automatic optimization processes. In this thesis the drive system of the Advanced Tiltrotor Aircraft has been modeled taking into account all its different submodels: engine, drive train and rotor. Particular attention was given to the engine model that has been imported from literature, analyzed and validated; then the synthesis of the Full Authority Engine Control (FADEC) system has been carried out in order to provide good engine performances. Once the drive system model is set up, a suitable architecture of the multivariable governor that regulates rotor speed and engine torque loops is proposed and design requirements are defined. Then the Thrust Power Management System of the tiltrotor has been modeled. Finally, a governor synthesis iteration has been performed using structured H-infinity approach: synthesis has been performed in two operating conditions, one in helicopter mode and one in airplane mode; the results are then presented and discussed.

Oggigiorno il campo dei tiltrotor è in continua espansione ed evoluzione: questo è dovuto alle loro vaste applicazioni, vantaggi economici e flessibilità sia in campo civile che militare. L’atterraggio e il decollo verticale permettono infatti di raggiungere aree critiche in cui gli spazi sono ridotti, mentre volare come un aeroplano permette di ridurre il tempo di volo tra due località. La modellizzazione e il controllo del drive system di un tiltrotor ha un ruolo fondamentale nel design del velivolo; infatti il controllo delle velocità di rotazione dei rotori e delle coppie motore si focalizza su diversi aspetti: dalla stabilizzazione e le performance alla manovrabilità e riduzione del carico di lavoro del pilota. Le leggi di controllo sono spesso ottenute tramite processi di ottimizzazione automatici. In questa tesi è stato modellato il drive system dell’Advanced Tiltrotor Aircraft tenendo conto di tutti i suoi sotto modelli: motore, trasmissione e rotore. Particolare attenzione è stata data al modello motore che è stato importato dalla letteratura, analizzato e validato; dopodiché il sistema Full Authority Engine Control (FADEC) è stato realizzato in modo da fornire buone performance del motore. Una volta impostato il modello del drive system, è stata proposta un’architettura idonea del controllore multivariabile che regola i loop di velocità dei rotori e di coppia dei motori e sono stati definiti i requisiti di design. Dopodiché il Thrust Power Management System è stato modellizzato. Infine è stata svolta un’iterazione di sintesi del controllore utilizzando l’approccio H-infinito strutturato: la sintesi è stata svolta in due condizioni operative, una in modalità elicottero ed una in modalità aeroplano; i risultati sono stati poi presentati e discussi.