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A thrust controller for the dynamic test bed of the flight management system

Moussaddy, Abdel-Rahman (2009). A thrust controller for the dynamic test bed of the flight management system. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The following study presents the Thrust Controller (TC) design and validation for a large civil aircraft, the Boeing 747. The TC works with the Automatic Flight Control System (AFCS) and the Flight Management System (FMS) to provide automatic, full-flight-regime energy management with minimum pilot inputs. The controller is to be coupled to the pitch channel of the AFCS to eliminate any altitude variation during thurst manoeuvres and will be available throughout the entire flight envelope. The proposed system is integrated within the Dynamic Test Bed (DTB) developed by CMC Electronics and its partners. In fact, in an attempt to minimize costs and reduce "in air" testing, CMC wishes to fully develop the concept of a real-time DTB, a simplified aircraft simulator, and to expand it into a
comprehensive FMS design and test tool, capable of certified service. The goal of the present study is the design, simulation, integration and qualification of the TC using the DTB as the integration platform. After a brief review of the command law synthesis methods for aircraft thurst control two concepts were studied. First the thurst controller was developed using a classic single inputsingle output controller based on the Proportional-Integral-Derivative structure and was validated over the full flight envelope. The controller is coupled to the pitch channel using an altitude variation dependant gain on the speed channel to eliminate altitude variation during speed control manoeuvres using thurst increase and decrease. The second design architecture proposes a modem state-feedback controller that fully couples pitch and speed channels. Feedback gains were chosen for every linearized point using the Eigenvector assignment method for system robustness. A controller was thus designed for every linearized point and the TC system switches between controllers according to flight conditions. Many improvements were then added to both controllers' architectures to add speed and thurst limitations and placards protections prior to nonlinear integration. The integration of the modem controller could not be validated within the nonlinear DTB framework in the scope of the current project due to autopilot and platform limitations. On the other hand, the classical controller proposed is integrated and tested within the nonlinear conditions of the DTB. To qualify the TC as a design and test tool and integrate it in the DTB we sought to ensure its smooth functioning and to reach the performance awaited while respecting the various limits and placards. A set of qualification tests was written and mn for that purpose. The results were judged satisfactory as the aircraft settles within the required limitations while improvements can be made and recommendations are presented.

Titre traduit

Un système de contrôle de la poussée pour le banc d'essai dynamique du système de gestion de vol

Résumé traduit

Nous presentons dans cette etude le systeme de controle de la poussee d'un avion civil, le Boeing 747. Le systeme propose, couple a I'autopilote et le systeme de gestion de vol, assure un control automatique de la poussee avec un minimum d'interaction par le pilote. Dans le but de minimiser les frais de developpement CMC developpe un banc d'essai pour leur famille de systemes de gestion de vol (FMS). Ce banc d'essai est utilise comme outil de test, certification et demonstration. Le but du present projet et de developper le systeme de controle de la poussee et de I'integrer au banc d'essai, tout en le qualifiant comme outil de test faisant partie du banc. Afin de pouvoir qualifier le banc d'essai comme outil de tests, plusieurs etapes rigoureuses doivent etre considerees durant le developpement des composantes du banc d'essai, dont le controleur de poussee fait parti. Parmi ces etapes nous retrouvons 1'identification des requis, la proposition du design qui satisfait ces requis, et finalement les tests de validation du systeme selon les exigences initiales, le tout dans un environnement controle.

La tache primaire du controleur etant d'assurer une commande de poussee en utilisant la manette de gaz, il est necessaire que le controleur permette de poursuivre une commande de poussee et ce, sans depassement ni erreur en regime permanent. Puisque la poussee n'est pas une entite mesurable directement, nous utilisons un ratio entre la pression a 1'entree et la pression a la sortie des turbines (Engine Pressure Ratio -EPR-) comme mesure de la force appliquee. De plus, couple a I'autopilote, le controleur doit pouvoir poursuivre une commande de vitesse a I'aide du controle de la poussee, et ce sans affecter l'altitude de l'avion. Or, une variation de vitesse entraine necessairement une variation de portance et done une variation d'altitude. II est done necessaire de coupler le controle de la poussee au controle de tangage de I'autopilote pour minimiser les variations d'altitudes durant les variations de poussee. Afin d'assurer une securite accme, les limites de vitesses, de poussee ainsi que d'acceleration doivent etre respecte. Finalement le controleur doit etre valide sur l'enveloppe de vol entiere. L'integration du systeme de commande est faite sur le banc de test dynamique developpe par CMC Electronique et ses partenaires. Cette integration ajoute done un requis, soit la necessite que le systeme soit compatible avec la plateforme et qu'il soit developpee en langage C.

Deux architectures de controles sont etudiees. Premierement le systeme est developpe en utilisant un controleur Proportioimel-Integral-Derivee (PID) classique et validee sur l'enveloppe de vol entiere. Le controleur utilise deux boucles de controle PID independante, une pour le controle de la poussee et une pour le controle de la vitesse. La selection entre les differentes boucles de controle est faite selon le mode d'autopilote choisi. En mode montee ou descente, comme au decollage, le controleur commande la poussee pour assurer une variation d'altitude pendant que I'autopilote controle la vitesse en utilisant les elevateurs. Une fois que I'altitude desiree est atteinte, le controleur de poussee a le mandat de controler la vitesse tandis que I'autopilote, toujours en utilisant une commande de tangage sur Tangle des elevateurs, assure le maintien de I'altitude. Durant la transition entre ces deux phases de vols d'importantes variations de poussee sont observees. Cette variation cause une variation d'altitude, et une importante acceleration, qui est ensuite armulee par la commande de tangage. Pour pouvoir assurer une transition douce sans variation d'altitude la commande de poussee et la commande de tangage sont couplees. Nous proposons une commande de poussee proportioimelle a la variation d'aUitude pour assurer une transition lisse. Le gain dans la boucle de controle de vitesse est done proportionnel a la variation d'altitude. La deuxieme architecture propose un controleur modeme a retour d'etat qui couple vitesse et tangage. Cette architecture n'utilise pas de boucles independantes et done permet d'assurer un controle en utilisant les elevateurs et la poussee conjointement pour atteindre une altitude et vitesse dormee. Cela permet d'eviter les variations d'altitude dues aux variations de vitesse ainsi que les variations de vitesse dues aux variations d'angle de tangage. Les gains de retour d'etats sont calcules par placement de vecteurs propres pour assurer la robustesse du systeme. Un controleur distinct a ete valide pour differentes positions de I'enveloppe de vol et le systeme de controle selectionne les gains du controleur selon la zone de I'enveloppe de vol courante.

Plusieurs autres ameliorations ont ete apportees aux deux architectures pour assurer la protection des limites dynamiques de vitesses et poussees. L'integration du controleur a retour d'etat, systeme de commande moderne, au banc d'essai tut impossible du aux limitations de I'autopilote et de la plateforme de developpement. Cette integration necessite une action directe sur la manette des gaz et sur les elevateurs. Cependant, une loi de commande des elevateurs inteme est incorporee dans la plateforme et les elevateurs sont controles via I'angle de tangage seulement. Pour pouvoir acceder directement a Tangle des elevateurs une modification a la plateforme doit etre effectue ce qui tombe malheureusement a Texterieur des limites de cette etude. Cependant le controleur classique fut integre et teste. Pour qualifier le controleur comme outil de test et developpement integre sur le banc d'essai il a fallu demontrer le respect des exigences et l'atteinte de la performance desiree. Plusieurs tests ont ete ecrits a cette fin et les resultats ont ete concluants. Le controleur assure une poursuite de poussee et de vitesse sans depassement ni erreur en regime permanent. II permet aussi de poursuivre une vitesse sans affecter L'altitude. Les contraintes de vitesse, de poussee et d'acceleration sont de plus respectees. Plusieurs ameliorations possibles sont aussi presentees pour ameliorer le respect des limites de vitesses durant les manoeuvres de poursuite de poussee.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis submitted to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements of the degree of master of electrical engineering". Bibliogr : f. [225]-228.
Mots-clés libres: Systèmes de commande (Vol) Boeing 747 (Avions de transport à réaction) Avions Vitesse. Tangage (Aérodynamique) banc, controle, dynamique, essai, etat, poussee, retour, vitesse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Akhrif, Ouassima
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Saad, Maarouf
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 16 août 2010 15:39
Dernière modification: 12 janv. 2017 02:26
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/71

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