Classical Control Design Theory Applied to Mitigate Rotor-Blade Vibrations

Abstract

[ES] El siguiente trabajo estudia el diseño e implementación del control activo de vibraciones en sistemas rotodinámicos. El rápido desarrollo de aplicaciones industriales ha incrementado la demanda de máquinas rotativas eficientes y ligeras. La aparición de vibraciones ocurre naturalmente en máquinas rotativas, donde pueden producir efectos negativos. Este proyecto estudia la aplicación de estrategias de control activas para reducir vibraciones en un rotor de cuatro palas, asegurando la aplicación práctica de los controles diseñados en un banco de ensayos presente en el laboratorio.

En la primera parte del trabajo se obtiene un modelo matemático del sistema a controlar. En la segunda parte se diseñan las estructuras de control. Se empezará por el diseño de PID's individuales para el sistema desacoplado. A continuación, se utilizará la estructura espacio estado para analizar el sistema al completo, analizando la interacción y acoplamiento entre variables. Con esta estructura se diseñaran controladores multivariable con realimentación de estado, se implementarán diferentes técnicas para diseñar la ganancia del controlador. Para finalizar, se diseñará una estrategia de control feedforward que utiliza técnicas de prealimentación para cancelar el efecto de las perturbaciones que aparecen con la rotación del sistema. El comportamiento de los diferentes controladores será analizado y comparado.

[EN] This paper studies the design and implementation of active control strategies to reduce vibrations in rotor-blade systems. The fast development of engineering applications has lead to the demand of highly efficient and fast rotating machinery. Vibrations occur naturally in rotating components producing negative effects. This project will study the application of control strategies to attenuate both hub and blade vibrations in a four-blade rotor system while ensuring the practical applicability of the designed control algorithms in a physical four-blade rotor test-rig.

The first part of the thesis will deal with the obtention of an accurate mathematical model of the four-blade rotor system. The second part will deal with the design of classical controllers for active vibration control. A simple structure of decoupled SISO PID controllers will designed. Then state space control structure will also be used to study the model as a MIMO system. A full-state feedback approach will be used to design the controllers. The controller gains are found using two methods, pole placement assignment, and linear quadratic regulation. All of the controller designs will be tested on the system, analyzed and compared.

The last part of the thesis deals with the design of a feedforward control that will be combined with the SISO PID control structure to cancel the effect of disturbances forces that appear during system rotation.