Controllo del volo dell'elicottero mediante retroazione di stati del rotore

The helicopter flight control system, which is actually based on fuselage motion measurements, is demanded to achieve many requirements, such as wind gust disturbance rejection, inter-axes decoupling, besides alleviating the pilot workload and allowing him to concentrate on the mission tasks. These performance constraints are expected to become more stringent in the future, requiring the helicopter to operate in degraded visual environments and adverse weather conditions: higher performance could be achieved by broadening the closed loop bandwidth; however, this leads the bandwidth to get into a frequency range where the fuselage is dynamically coupled to the rotor, which implies reduced stability margins and worse sensor noise rejection. This limitation can be overcome by introducing rotor state measurements in the feedback control law (rotor state feedback, RSF). This thesis is devoted to the development of a control design methodology oriented to the structured synthesis of a robust compensator; in this way, a regulator with pre-determined structure can be obtained, which achieves performance requirements, robustness with respect to model uncertainty requirements, and rotor sensor fault tolerance requirements. The novel methodology is then applied to the synthesis of a compensator based on a high order helicopter model and, by comparing the RSF control law with a traditional one, benefits resulting from RSF are shown.

Il sistema di controllo del volo dell'elicottero, attualmente basato su misure di variabili legate al moto di fusoliera, deve soddisfare numerosi requisiti, tra i quali la reiezione delle raffiche di vento e il disaccoppiamento tra gli assi, oltre ad alleviare il carico di lavoro del pilota, permettendogli di concentrarsi sulla missione. Ci si aspetta che in futuro questi vincoli di prestazione divengano più stringenti, richiedendo all'elicottero di operare in condizioni di visuale degradata e condizioni meteorologiche avverse: prestazioni più elevate potrebbero essere ottenute allargando la banda di controllo del sistema; così facendo tuttavia si ricade in un intervallo di frequenze in cui la dinamica di rotore è accoppiata a quella di fusoliera, il che si riflette in una riduzione dei margini di stabilità e in un peggioramento delle prestazioni dal punto di vista della reiezione del rumore di misura. Questo limite può essere superato facendo uso di misure di stato del rotore nella legge di retroazione (rotor state feedback, RSF). In questa tesi viene sviluppata una metodologia di progetto del controllore orientata alla sintesi robusta e strutturata del regolatore; in questo modo è possibile ottenere un regolatore dalla struttura fissata a priori che rispetti requisiti di prestazione, di robustezza all'incertezza del modello rispetto al sistema reale e di robustezza ai guasti del sensore di stato di rotore. Questa metodologia viene applicata alla sintesi di un regolatore basato su un modello di elicottero di ordine elevato e, comparando una legge di controllo che fa uso di RSF con una legge di controllo tradizionale, vengono mostrati i vantaggi del RSF.