Identification of a MIMO system for active vibration control in helicopters

In this thesis the identification of a MIMO model of the vibration response of a helicopter cabin was carried out. The estimated model will be used to design an active vibration control system to reduce the vibrations generated by the main rotor. The system to be identified consists of a set of piezoelectric actuators and accelerometers located on a fuselage of an A109 Agusta helicopter. First, a set of experiments was performed where each actuator was individually excited and the responses of the sensors to the induced vibrations were recorded. Using the recorded data, a subspace identification algorithm was employed to identify the model of interest. To test the model, we passed the recorded input to the model and evaluated its ability to reproduce the recorded output. The model produced a good performance, especially when actuators and sensors were positioned on the same side of the helicopter. The model's performance deteriorated when actuators and sensors were located on opposite sides of the helicopters, due to the larger attenuation the signals are subject to. Additionally, the frequency responses of the model were compared to the ones calculated from the recorded data. The results showed that the model is more accurate for high frequencies. Although a full scale control system goes beyond the scope of this work, a feedback control system has been proposed, based on the estimated model. Using an SVD decoupler, the MIMO system can be reduced to a set of independent SISO systems. This allowed creating a simple control system capable of attenuating individual frequency components using the appropriate subset of sensors and actuators. This simplified system was controlled by the Harmonic Control (HHC) algorithm. To validate the control system, some software simulations were performed on a subset of channels. The results showed a significant disturbance attenuation despite the inaccuracies of the model. These results, together with the simplicity and ease of implementation, indicate that this method provides a valid option for vibration reduction techniques.

L’obbiettivo principale di questo lavoro di tesi è stato l’identificazione un modello MIMO della risposta alle vibrazioni di una cabina di elicottero. Il modello stimato verrà utilizzato per progettare un sistema di controllo attivo delle vibrazioni per l’attenuazione del disturbo generato dal rotore principale. Il sistema da identificare è costituito da una serie di attuatori e accelerometri posizionati nella fusoliera di un elicottero Agusta A109. Degli esperimenti sono stati eseguiti eccitando un singolo attuatore e registrando le risposte dei sensori alle vibrazioni generate. Da questi dati, tramite un algoritmo di identificazione a sottospazi il modello è stato identificato. La capacità del modello di riprodurre i segnali di output partendo dal segnale di eccitazione è stata testata. Il modello ha prodotto buoni risultati per attuatori e sensori posizionati dallo stesso lato dell’elicottero. Le performance sono invece meno buone considerando attuatori e accelerometri su lati opposti, a causa della maggiore attenuazione a cui i segnali sono soggetti. Paragonando le risposte in frequenza del modello con quelle calcolate dai dati si è notata una maggiore accuratezza del modello per alte frequenze. Nonostante il progetto del sistema di controllo vada oltre gli obbiettivi preposti, tale problema è stato indagato considerando una classica configurazione in retroazione. Per semplificare il problema del controllo, un disacoppiatore SVD è stato utilizzato in modo da ottenere un numero di sistemi SISO indipendenti. In questo modo un sistema di controllo può essere progettato per ciascuna componente frequenziale del disturbo. Sul sistema semplificato l’algoritmo Higher Harmonic Control (HHC) è stato applicato. Alcune simulazioni sono state effettuate su un piccolo sottosistema per validare il sistema di controllo considerato: queste hanno mostrato una buona attenuazione del disturbo nonostante le inaccuratezze del modello. I risultati ottenuti insieme alla sua semplicità e facilità di implementazione, sembrano validare questa tecnica come una valida alternativa per il controllo attivo delle vibrazioni negli elicotteri.