Synthèse d'un contrôleur par inversion dynamique avec estimation de modèle pour un avion de ligne

Brisset, Jean Nicholas (2018). Synthèse d'un contrôleur par inversion dynamique avec estimation de modèle pour un avion de ligne. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Un système de pilotage automatisé d’un avion de ligne est composé de plusieurs modes. Certains agissent en tant que boucle intermédiaire dans le schéma de contrôle. Les avionneurs nécessitent typiquement une multitude de lois de commande distinctes pour couvrir la plage opérationnelle, et chacune d’entre elles est valide uniquement à proximité de la condition de vol pour laquelle elle a été calculée. À l’aide de l’inversion dynamique, la synthèse d’un seul contrôleur permet d’atteindre un niveau de performance adéquat pour l’ensemble de l’enveloppe opérationnelle.

Dans ce mémoire, l’intérêt est centré sur les axes de contrôle intermédiaire qui sont généralement actifs en tout temps avec l’activation du pilote automatique, soit la commande de l’angle de tangage et de roulis, le suivi de la vitesse, l’amortissement de lacet et la coordination de virage. L’objectif est la validation d'un contrôleur d’inversion dynamique avec une modélisation approximative permettant d’atteindre des caractéristiques de manoeuvrabilité couramment utilisées dans l’industrie. Une économie de coût et de temps sera alors réalisée, de même que la simplification de la synthèse des lois de commande pour un avion de ligne.

Une modélisation du Boeing 747 créée dans le cadre de ce projet permet un ajustement en ligne des lois de commande développées, facilitant la résolution de problème. Et puis, une intégration sur le logiciel de simulation FlightSIM, dédié à la recherche scientifique, assure une reproductibilité pour la performance du contrôleur. Des procédures d’essais ont été développées pour récolter des paramètres liés à une analyse temporelle de la réponse lors de simulation.

L’évaluation globale permet de conclure que le contrôleur rencontre un niveau adéquat de qualités de vol sur l’ensemble de l’enveloppe opérationnelle. Les résultats pour la réponse longitudinale ont présenté une performance supérieure à la réponse latérale. Lors de l’analyse, la différence observée semble provenir de l’ajout de la dynamique des actionneurs. En l’incluant dans la dérivation, la loi de commande génère une correction pour la déflexion de gouverne, au lieu de simplement calculer un angle fixe et précis à partir de la modélisation. Avec cette méthode, la dynamique observée se rapproche davantage de celle predetermine avec les pôles du contrôleur, et l’erreur en régime permanent est minimisée.

Titre traduit

Design of a controller using dynamic inversion with model estimation for a transport category aircraft

Résumé traduit

The Automated Flight Control System (AFCS) of a transport category aircraft is made up of several modes. Some are used to establish a desired attitude, which could be commanded directly by the pilot or through outer loops which are designed to track a trajectory. To achieve this goal for the entire flight envelope, aircraft manufacturers must generate a series of control laws which are only valid for a narrow operational range of speed and altitude. With the dynamic inversion approach, a single control law can satisfy handling qualities requirements for the complete flight envelope.

In this research project, the focus is put on four control axis which are normally used continuously by the flight guidance computer when the autopilot is engaged: pitch angle and roll angle command; auto-thrust; yaw damping and turn coordination. The objective is to validate whether a model estimation in a controller designed with dynamic inversion would meet the flying qualities requirements commonly used in the industry. This simplification of the control laws for transport category aircrafts would mean significant savings in cost and time required for the design of an autopilot.

A Boeing 747 model was created which enabled a high level of flexibility for online tuning of the control laws, reducing the complexity of troubleshooting. The controller was then implemented on an independent simulation platform called FlightSIM, to evaluate the reproducibility of the preliminary results. Test procedures were elaborated to allow measurements for a time analysis of the simulation data, throughout the operational flight envelope.

The global assessment showed a satisfying level of performance of the handling qualities, for the entire envelope. The longitudinal controller exhibited superior flying characteristics compared to the lateral controller. With the analysis of the results, it was concluded that the improvement of the performance was a consequence of the integration of the dynamics of actuators. With this added feature, the command law derivation yielded equations which would compute an angle correction for the control surface, rather than estimating the exact angle of deflection required to reach the reference signal. With this approach, the aircraft preselected dynamics correlated better with the observed time response, and the steady-state error was significantly reduced.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 215-219)
Mots-clés libres:	asservissement, inversion dynamique, avion de ligne, modélisation, flightsim
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Akhrif, Ouassima
Codirecteur:	Codirecteur Cazaurang, Franck
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	16 nov. 2018 21:45
Dernière modification:	16 nov. 2018 21:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2152

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