Design of a fault-tolerant flight control system against multiple actuator failures

Ghodbane, Azeddine (2016). Design of a fault-tolerant flight control system against multiple actuator failures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Actuator faults occurring suddenly in avionic systems can deteriorate aircraft dynamics and may lead to catastrophic instability. Since conventional flight control systems are not reliable in the presence of such risks, for many years ago and until quite recently, these faults have been handled using actuator redundancy. However, this technique leads to extra weight and costs, and thus affects the overall space, weight and power.

Recent research approaches have been focused on new analytical methods, known in the literature as fault-tolerant control systems. Based on both an online fault detection and diagnosis process and a reconfigurable flight control law, these systems are capable of adapting in real time to such sudden faults while keeping avionic systems lighter and less expensive. Although the concept of reconfigurable control still remains in the experimental phase and there is no system implemented on commercial aircraft, several research programs have been created over the past 20 years to study their potential.

In this thesis, fault-tolerant control systems combined the sliding mode technique and the geometric approach for fault reconstruction are developed based on Lyapunov theory of stability. The purpose is to handle multiple simultaneous actuator faults while preserving stability and maintaining desired performances. To validate the effectiveness and robustness of the proposed algorithms in faulty situations, several Matlab®/Simulink® numerical simulations are performed on high fidelity aircraft models. FlightGear software simulator is used to show the performance and the behavior of the aircraft on a graphical user interface.

Titre traduit

Conception d'un système de controle de vol tolérant aux défauts multiples d’actionneurs

Résumé traduit

Les défauts d'actionneurs sont en général brusques et de nature inconnue. Ils peuvent détériorer la dynamique des avions et même conduire à une instabilité catastrophique. Comme les systèmes conventionnels de contrôle ne sont pas fiables en présence de ces risques, depuis plusieurs années et jusqu'à tout récemment, ces défauts ont été accommodés à l'aide d’actionneurs redondants. Cependant, cette technique génère un surplus de poids et de coûts, et affecte ainsi l'espace global et la puissance.

Les récentes recherches penchent sur de nouvelles méthodes analytiques, connues dans la littérature par les systèmes de contrôle tolérants aux défauts. Basés sur un processus de détection et de diagnostic en ligne et une loi de commande reconfigurable, ces systèmes sont capables de s’adapter en temps réel à ces défauts tout en gardant les systèmes avioniques légers et moins coûteux. Bien que le concept du contrôle reconfigurable reste encore en phase expérimentale et il n'y en a aucun mis en place dans les avions commerciaux, plusieurs programmes de recherche ont été créés au cours des 20 dernières années pour étudier leur potentiel.

Dans cette thèse, des systèmes de contrôle tolérants aux défauts combinant la technique du mode glissant et l’approche géométrique pour la reconstruction de défaut sont développés sur la base de la théorie de stabilité de Lyapunov. L’objectif est de compenser des défauts multiples et simultanés d’actionneurs, tout en préservant la stabilité et les performances désirées. Pour valider l’efficacité et la robustesse des algorithmes proposés dans des situations de défauts, plusieurs simulations numériques dans l’environnement Matlab®/ Simulink® sont effectuées sur des modèles de haute-fidélité d’avions. Le logiciel de simulateur de vol FlightGear est utilisé pour illustrer les performances et le comportement de l'avion sur une interface utilisateur graphique.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 183-198).
Mots-clés libres:	défauts d’actionneurs, détection et diagnostic de défauts, contrôleur de vol tolérant aux défauts, contrôle par mode de glissant, reconstruction de défauts par la method géométrique, projecteurs multiples, filtre de Kalman étendu, La stabilité de Lyapunov
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Boland, Jean-François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 janv. 2021 14:03
Dernière modification:	20 janv. 2021 14:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1724

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