ARCTIS - Periodische Regelung eines Rotors mit formadaptivem Wölbungsmechanismus

Abstract

Das Projekt ARCTIS verfolgt das Ziel, die Leistungsfähigkeit von Hubschrauberrotoren durch die Entwicklung geeigneter Regelungsverfahren für Rotorblätter mit formadaptivem Wölbungsmechanismus zu verbessern. Hierzu werden sowohl nichtlineare Simulationen als auch linearisierte Modelle der Rotorstruktur entwickelt und für die systematische Auslegung geeigneter Regelungskonzepte genutzt. Im Fokus stehen dabei die Reduktion von Blattlasten, Geräuschemissionen sowie des Leistungsbedarfs. Die Arbeiten der Hochschule München konzentrieren sich dabei insbesondere auf die Ableitung linearer Modelle der neuartigen formadaptiven Rotorstruktur sowie auf die Entwicklung und Bewertung geeigneter Regelungsstrategien. Ziel dieser Regelungsstrukturen ist es, Blattlasten und Leistungsbedarf zu reduzieren, ohne die flugdynamischen Eigenschaften des Systems negativ zu beeinflussen. Die Ableitung von, für die Reglerauslegung geeigneten, linearen Modellen erfolgt dabei mit einer sogenannten Subraum Methode, die es ermöglicht Modelle auch für komplexere Systemdynamiken rein aus Mess- bzw. Simulationsdaten zu gewinnen. Zur Reduktion des Leistungsbedarfs wird eine Regelungsstruktur mit einem Extremwertregler entwickelt, der den Betriebspunkt des Rotors unter Nutzung der zusätzlichen Stellgröße der Blattverwölbung optimiert. Für die Minimierung der Blattlasten wird ein robustes Regelungskonzept entwickelt, das auf die Dämpfung der Strukturmoden abzielt und damit die an den Blattwurzeln auftretenden Lasten reduziert. Die Wirksamkeit der entwickelten Regelungsstrategien wird anhand geeigneter Modelle untersucht und bewertet. The project ARCTIS aims to improve the performance of helicopter rotors through the development of suitable control strategies for rotor blades equipped with a morphing camber mechanism. For this, both nonlinear simulations as well as linearized models of the rotor structure are developed and used for the systematic design of appropriate control concepts. The primary focus lies on the reduction of blade loads, noise emissions, and power consumption. The focus of the work carried out at Munich University of Applied Sciences is on the derivation of linear models of the novel morphing rotor structure, as well as on the development and evaluation of suitable control strategies. The objective of these control strategies is to reduce blade loads and power demand without affecting the flight dynamics of the system. The derivation of linear models suitable for controller design is performed using so-called subspace identification methods, which allow the extraction of models even for complex system dynamics directly from measurement or simulation data. To reduce power consumption, a control structure including extremum seeking control is developed, which optimizes the operating point of the rotor using the additional control input provided by blade camber morphing. For the reduction of blade loads, a robust control-based concept is designed, aiming at damping structural modes and thereby reducing the blade root forces. The effectiveness of the developed control strategies is evaluated based on suitable models.