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Flight control optimization from design to assessment application on the Cessna Citation X business aircraft

Boughari, Yamina (2017). Flight control optimization from design to assessment application on the Cessna Citation X business aircraft. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

New methodologies have been developed to optimize the integration, testing and certification of flight control systems, an expensive process in the aerospace industry. This thesis investigates the stability of the Cessna Citation X aircraft without control, and then optimizes two different flight controllers from design to validation. The aircraft’s model was obtained from the data provided by the Research Aircraft Flight Simulator (RAFS) of the Cessna Citation business aircraft.

To increase the stability and control of aircraft systems, optimizations of two different flight control designs were performed: 1) the Linear Quadratic Regulation and the Proportional Integral controllers were optimized using the Differential Evolution algorithm and the level 1 handling qualities as the objective function. The results were validated for the linear and nonlinear aircraft models, and some of the clearance criteria were investigated; and 2) the Hinfinity control method was applied on the stability and control augmentation systems. To minimize the time required for flight control design and its validation, an optimization of the controllers design was performed using the Differential Evolution (DE), and the Genetic algorithms (GA). The DE algorithm proved to be more efficient than the GA. New tools for visualization of the linear validation process were also developed to reduce the time required for the flight controller assessment.

Matlab® software was used to validate the different optimization algorithms’ results. Research platforms of the aircraft’s linear and nonlinear models were developed, and compared with the results of flight tests performed on the Research Aircraft Flight Simulator.

Some of the clearance criteria of the optimized H-infinity flight controller were evaluated, including its linear stability, eigenvalues, and handling qualities criteria. Nonlinear simulations of the maneuvers criteria were also investigated during this research to assess the Cessna Citation X’s flight controller clearance, and therefore, for its anticipated certification.

Titre traduit

Optimisation de la commande de vol de la conception à l'évaluation application à l'avion d'affaire Cessna Citation X

Résumé traduit

Afin d’améliorer le processus coûteux d’intégration, d’essai et de certification des systèmes de commande de vol des avions civils dans l'industrie de l'aérospatiale, de nouvelles méthodologies ont été développées pour son optimisation. Le modèle de l'avion a été obtenu à partir des données fournies par le simulateur de vol de recherche de l’avion. Dans cette thèse, on a étudié la stabilité du Cessna Citation X sans contrôle, puis deux contrôleurs différents de vol ont été optimisés a partir de leur conception jusqu’ à leur validation sur l'avion Cessna Citation X.

Pour augmenter le système de stabilité et de contrôle de l'aéronef, des optimisations de deux conceptions différentes d’un contrôleur de vol ont été effectuées; d'une part, la méthode moderne de la régulation quadratique linéaire et la méthode classique de la commande proportionnelle intégrale ont été optimisées en utilisant l'algorithme de l’évolution différentielle, et en utilisant le niveau 1 des qualités de manœuvrabilités comme fonction objective. Les résultats on été validés pour les modèles linéaire et non linéaire de l’avion, et quelques critères de certification ont été évalués.

D'autre part, au lieu d'utiliser une combinaison de deux méthodes de contrôle ci haut mentionnées, la méthode de contrôle H-infini a été utilisée pour assurer l’obtention des systèmes d'augmentation de la stabilité et de contrôle. Pour réduire le temps entre la conception de la commande de vol et la validation, une optimisation de la conception de contrôleur a été réalisée en utilisant l'algorithme de l’évolution différentielle, et l’algorithme génétique. L'algorithme de l’évolution différentielle a montré plus d'efficacité que l’algorithme génétique; également de nouveaux outils pour la visualisation du processus de validation linéaire ont été développés pour réduire le temps requis pour l’évaluation du contrôleur de vol. Pour valider les différents résultats obtenus par des optimisations des algorithmes, le logiciel Matlab a été utilisé dans lequel des plateformes de recherches du modèle linéaire et non linéaire de l'aéronef ont été développés et ont été comparées à des essais en vol effectués sur le simulateur de vol de recherche de l’avion. Quelques critères de certification du contrôleur de vol conçu avec H-infini optimisé tel que la stabilité linéaire, les valeurs propres, et les critères de qualités de manœuvrabilités ont été évalués ; en outre, des critères de simulation de manœuvres des modèles non linéaires ont été étudiés au cours de cette recherche visant à évaluer l'avion d'affaires pour la certification future du contrôleur de vol.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 183-199.
Mots-clés libres: Avions Systèmes de commande. Avions d'affaires Stabilité. Systèmes de commande (Vol) Conception et construction. Systèmes de commande (Vol) Modèles mathématique. Théorie de la commande. cessna, citation, x, représentation fractionnaire linéaire, certification du contrôle de vol, analyse de stabilité, contrôle optimal, Algorithme heuristique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2017 15:18
Dernière modification: 28 mars 2017 15:18
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1848

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