Formulation of mathematical models using parameter estimation techniques and flight test data for the Bell 427 helicopter and the F/A-18 aircraft

Nadeau-Beaulieu, Michel (2007). Formulation of mathematical models using parameter estimation techniques and flight test data for the Bell 427 helicopter and the F/A-18 aircraft. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette recherche presente differents modeles mathematiques d'aeronefs developpes a partir de donnees d'essais en vol pour trois modeles: la dynamique au sol pour Fatterrissage de I'helicoptere Bell 427, le comportement des rotors et des moteurs pour le meme helicoptere et la simulation des deflections aeroelastiques de I'avion militaire F/A-18.

La structure du modele de dynamique au sol du B-427 est deduite par des lois de la physique, dans lesquelles la force normale de contact avec le sol est modelisee par le ressort vertical et la force de friction est modelisee par les coefficients statiques et dynamiques. Les coefficients du modele sont optimises afin que sa sortie corresponde aux donnees d'atterrissage a I'interieur des marges de tolerance definies par la FAA {Federal .Aviation administration) pour un simulateur de vol de niveau D.

Les torques du rotor principal, du rotor de queue et des moteurs ainsi que la \itesse du rotor principal sont estimes par un modele d'espace d'etat. Les entrees non-lineaires du modele sont construites a partir des commandes du pilote et des etats de I'helicoptere. Les parametres du modele sont identifies par la methode subspace et optimises par l'algorithme Levenberg-Marquardt. Le modele donne une excellente estimation des sorties a I'interieur des marges de tolerances de la FAA.

Le modele aeroelastique de I'avion F/A-18 est represente sous forme d'espace d'etat, et la recherche concernant ce modele est divisee en deux parties. Premierement, la déflection d'une partie de l'avion suite a une entree d'ailerons differentiels est representee par un modele lineaire MISO {Multiple Inputs Single Outputs). Les entrees du modele sont les posifions des ailerons et les déflections des autres parties de l'avion. Deuxièmement, un seul modele d'espace-etat non-lineaire est utilise pour calculer les déflections aeroelastiques des ailes et des volets de bords de fuite. Les non-linéarités sont introduites en multipliant les entrees entre elles avant de les utiliser dans les matrices d'espace-etat. Dans les deux cas, les modeles sont identifies par la methode subspace. D'excellents resultats ont ete obtenus ou la plupart des coefficients de correspondance et de correlation sont respectivement au dessus de 73 % et 90%.

Titre traduit

Formulation d'un modèle mathématique par des techniques d'estimation de paramètres à partir de données de vol pour L'hélicoptère Bell427 et l'avion F/A-18 servant à la recherche en aeroservoelasticité

Résumé traduit

In this thesis, three mathematical models are built from flight test data for different aircraft design applications: a ground dynamics model for the Bell 427 helicopter, a prediction model for the rotor and engine parameters for the same helicopter type and a simulation model for the aeroelastic deflections of the F/A-18.

In the ground dynamics application, the model structure is derived from physics where the normal force between the helicopter and the ground is modelled as a vertical spring and the frictional force is modelled with static and dynamic friction coefficients. The ground dynamics model coefficients are optimized to ensure that the model matches the landing data within the FAA {Federal Aviation Administration) tolerance bands for a level D flight simulator.

In the rotor and engine application, rotors torques (main and tail), the engine torque and main rotor speed are estimated using a state-space model. The model inputs are nonlinear terms derived from the pilot control inputs and the helicopter states. The model parameters are identified using the subspace method and are further optimised with the Levenberg-Marquardt minimisation algorithm. The model built with the subspace method provides an excellent estimate of the outputs within the FAA tolerance bands.

The F/A-18 aeroelastic state-space model is built from flight test. The research concerning this model is divided in two parts. Firstly, the deflection of a given structural surface on the aircraft following a differential ailerons control input is represented by a Multiple Inputs Single Outputs linear model whose inputs are the ailerons positions and the structural surfaces deflections. Secondly, a single state-space model is used to represent the deflection of the aircraft wings and trailing edge flaps following any control input. In this case the model is made non-linear by multiplying model inputs into higher order terms and using these terms as the inputs of the state-space equations. In both cases, the identification method is the subspace method. Most fit coefficients between the estimated and the measured signals are above 73% and most correlation coefficient are higher than 90%.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to the École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philisophy in engineering". Bibliogr : f. [202]-209.
Mots-clés libres:	Aéroélasticité Recherche. Aéronefs Modèles mathématiques. Bell (Hélicoptère) Hornet (Avion de chasse à réaction) Hélicoptères Essais en vol. Avions à réaction Essais en vol. 427, Aéroservoélasticité, Estimation, Paraméetre
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 mars 2011 17:44
Dernière modification:	01 déc. 2016 00:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/592

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