Implementation of different types of controllers to reduce rotor blade vibrations

Abstract

La mayor causa de fallo de los sistemas rotatorios es el deterioro de los álabes. Cuando el sistema rota, los álabes vibran provocando su fallo eventualmente. El control de esas vibraciones puede reducir el estrés adicional al que están sujetas, mejorar su vida efectiva y reducir los costes de mantenimiento y reparación. Este proyecto busca analizar el efecto del control de vibraciones en un sistema rotatorio estándar. Sin embargo, la instalación de sensores y actuadores en los álabes puede ser difícil y costoso dependiendo de la aplicación. El principal objetivo de este estudio es comprobar si el control activo de las vibraciones de los álabes se puede aplicar al rotor o si es necesario controlar también los álabes.

Para este estudio se ha construido un banco de ensayos de un sistema rotatorio. Este banco de ensayos mide las vibraciones con sensores de corriente de Foucault y actúa con electroimanes. Lo primero es analizar el modelo teórico del sistema. Después se realiza una identificación experimental en lazo abierto con datos del banco para compararlo con el sistema teórico y comprobar si hay dinámicas no lineares no modeladas. La identificación de la planta reveló que cuando rota los parámetros son variables en el tiempo, acorde con el modelo teórico. Después, se diseñan algunos controladores estándar, pero fallan por la variabilidad temporal del sistema rotando. Por eso se diseña e implementa un control adaptativo, que puede amortiguar las vibraciones del sistema cuando rota. Este control funciona para el caso acoplado (controlando el rotor y los álabes) y para el desacoplado (controlando solo el rotor), con mas esfuerzo de control en el caso desacoplado.

One of the main causes of failure of rotor-blade systems is blade deterioration. When the system rotates, the blades vibrate causing them to fail eventually. Controlling those vibrations can help reduce the additional stress they are subject to, improve its effective lifetime and reduce the failure costs of maintenance and repair. This thesis seeks to analyze the effect of active vibration control on standard rotor-blade systems. However, the installation of sensors and actuators directly on the blades can be difficult and expensive, depending on the specific application. The main study focus on this project is to test if active vibration control can be applied only to the rotor's vibrations or it is necessary to control the blades as well.

For this analysis a test rig of a rotor-blade system has been studied. This test rig in particular measures the vibrations with eddy current sensors and actuates with electromagnets. First thing is analyzing the system theoretically and the built test rig with its components. After that, an experimental open loop identification is performed, recording input/output data from the test rig and identifying the parameters of the system to compare with the theoretical analysis and check for non modeled dynamics. After the experimental system identification, an analysis of the plant revealed that when the system is in rotating operation the plant's parameters become periodic time-variant, matching the theoretical description. With the identified system, some standard controllers are designed, but their performance fails under time-varying conditions of the plant. That is why an adaptive controller is designed and implemented, resulting in a control that can dampen the vibrations of the system in rotating conditions. The adaptive controller technique works for both coupled (actuating on blades and rotor) or uncoupled (actuating only in the rotor) situations, with more controller effort on the uncoupled situation.