Aeromechanical stability analysis and control of helicopter rotor blades

헬리콥터 회전날개깃의 안정성 해석과 제어

The rotor blade is modeled using a composite box beam with arbitrary wall. The active constrained damping layers are bonded to the upper and lower surfaces of the box beam to provide active and passive damping. A finite element model, based on a hybrid displacement theory, is used in the structural analysis. The theory is capable of accurately capturing the transverse shear effects in the composite primary structure, the viscoelastic and the piezoelectric layers within the ACLs. A reduced order model is derived based on the Hankel singular value. A linear quadratic Gaussian (LQG) controller is designed based on the reduced order model and the available measurement output. However, the LQG control system fails to stabilize the perturbed system although it shows good control performance at the nominal operating condition. To improve the robust stability of LQG controller, the loop transfer recovery (LTR) method is applied. Numerical results show that the proposed controller significantly improves rotor aeromechanical stability and suppresses rotor response over large variations in rotating speed by increasing lead-lag modal damping in the coupled rotor-body system.

복합재로 된 회전날개깃을 상자보로 모델링하고 수동/능동 감쇠를 주기 위해 ACL(Active Constrained Damping Layer)을 상하양면에 부착하고 복합변위이론에 기초한 유한요소방법을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 이 이론은 ACL내의 복합재와 점탄성층 그리고 압전층의 전단변형효과를 정확하게 모델링하는데 효과적이다. Hankel 의 특이값을 이용해 축차모델을 유도하였으며 축차모델과 측정된 출력에 기초한 LQG 제어기를 설계하였다. 그러나 LQG 제어기는 공칭 운전속도에서는 좋은 성능을 보여주었으나 운전속도가 변하는 상황에 대해서는 강인안정성을 보여주지 못했다. 이 LQG제어기의 강인안정성을 개선하기 위하여 루프전달회복을 통한 강인한 제어기를 설계하였다. 수치 예를 통해 제시된 제어기가 회전날개깃의 공기역학적인 안정성을 개선하는데 효과적이며 동체모드와 연계된 리드-래그 모드감쇠를 증가시켜 회전날개깃의 진동을 효과적으로 억제하는 것을 보였다.