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Design and development of intelligent actuator control methodologies for morphing wing in wind tunnel

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Khan, Shehryar (2020). Design and development of intelligent actuator control methodologies for morphing wing in wind tunnel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to protect our environment by reducing the aviation carbon emissions and making the airline operations more fuel efficient, internationally, various collaborations were established between the academia and aeronautical industries around the world. Following the successful research and development efforts of the CRIAQ 7.1 project, the CRIAQ MDO 505 project was launched with a goal of maximizing the potential of electric aircraft. In the MDO 505, novel morphing wing actuators based on brushless DC motors are used. These actuators are placed chord-wise on two actuation lines. The demonstrator wing, included ribs, spars and a flexible skin, that is composed of glass fiber. The 2D and 3D models of the wing were developed in XFOIL and Fluent. These wing models can be programmed to morph the wing at various flight conditions composed of various Mach numbers, angles of attack and Reynolds number by allowing the computation of various optimized airfoils. The wing was tested in the wind tunnel at the IAR NRC Ottawa.

In this thesis actuators are mounted with LVDT sensors to measure the linear displacement. The flexible skin is embedded with the pressure sensors to sense the location of the laminar-to-turbulent transition point. This thesis presents both linear and nonlinear modelling of the novel morphing actuator. Both classical and modern Artificial Intelligence (AI) techniques for the design of the actuator control system are presented. Actuator control design and validation in the wind tunnel is presented through three journal articles; The first article presents the controller design and wind tunnel testing of the novel morphing actuator for the wing tip of a real aircraft wing. The new morphing actuators are made up of BLDC motors coupled with a gear system, which converts the rotational motion into linear motion. Mathematical modelling is carried out in order to obtain a transfer function based on differential equations. In order to control the morphing wing it was concluded that a combined position, speed and current control of the actuator needs to be designed. This controller is designed using the Internal Model Control (IMC) method for the linear model of the actuator. Finally, the bench testing of the actuator is carried out and is further followed by its wind testing. The infra red thermography and kulite sensors data revealed that on average on all flight cases, the laminar to turbulent transition point was delayed close to the trailing edge of the wing.

The second journal article presents the application of Particle Swarm Optimization (PSO) to the control design of the novel morphing actuator. Recently PSO algorithm has gained reputation in the family of evolutionary algorithms in solving non-convex problems. Although it does not guarantee convergence, however, by running it several times and by varying the initialization conditions the desired results were obtained. Following the successful computation of controller design, the PSO was validated using successful bench testing. Finally, the wind tunnel testing was performed based on the designed controller, and the Infra red testing and kulite sensor measurements results revealed the expected extension of laminar flows over the morphing wing.

The third and final article presents the design of fuzzy logic controller. The BLDC motor is coupled with the gear which converts the rotary motion into linear motion, this phenomenon is used to push and pull the flexible morphing skin. The BLDC motor itself and its interaction with the gear and morphing skin, which is exposed to the aerodynamic loads, makes it a complex nonlinear system. It was therefore decided to design a fuzzy controller, which can control the actuator in an appropriate way. Three fuzzy controllers were designed each of these controllers was designed for current, speed and position control of the morphing actuator. Simulation results revealed that the designed controller can successfully control the actuator. Finally, the designed controller was tested in the wind tunnel; the results obtained through the wind tunnel test were compared, and further validated with the infra red and kulite sensors measurements which revealed improvement in the delay of transition point location over the morphed wing.

Titre traduit

Conception et développement de méthodes de commande intelligente d'actionneurs pour la déformation d'ailes en soufflerie

Résumé traduit

Afin de protéger notre environnement en réduisant les émissions de carbone de l'aviation et en rendant les opérations aériennes plus économiques en carburant, plusieurs collaborations ont été établies à l'échelle internationale entre les universités et les industries aéronautiques du monde entier. Suite aux efforts de recherche et développement du projet CRIAQ 7.1, le projet MDO 505 a été lancé dans le but de maximiser le potentiel des avions électriques. Dans le projet MDO 505, de nouveaux actionneurs basés sur des moteurs à courant continu sans balai sont utilisés. Ces actionneurs sont placés le long de la corde sur deux lignes d'actionnement. L'aile de démonstration, composée de longerons et d'un revêtement souple, est composée de fibres de verre. Les modèles 2D et 3D de l'aile ont été développés en XFOIL et Fluent. Ces modèles d'ailes peuvent être programmés pour déformer l'aile dans diverses conditions de vol tel que le nombre de Mach, l’angle d'attaque et le nombre de Reynolds, permettant ainsi de calculer des profils optimisés. L'aile a été testée dans la soufflerie de l'IRA NRC (Ottawa).

Les actionneurs sont montés avec des capteurs LVDT pour mesurer le déplacement linéaire. Le revêtement flexible est intégré aux capteurs de pression pour détecter l'emplacement du point de transition laminaire - turbulent. Cette thèse présente à la fois la modélisation linéaire et non linéaire du nouvel actionneur de déformation. Les techniques classiques et modernes de l'IA pour la conception du système de commande d'actionneur sont présentées.

La conception et la validation de la commande de l'actionneur l’aide de la soufflerie renvoient à trois articles, le premier article présente la conception du contrôleur et les tests en soufflerie du nouvel actionneur de déformation pour l’extrémité d'une aile d'avion. Les nouveaux actionneurs de déformation sont constitués d’un moteur BLDC couplé à un engrenage qui convertit le mouvement de rotation en mouvement linéaire. La modélisation mathématique est effectuée afin de dériver une fonction de transfert basée sur les équations différentielles. Afin de pouvoir déformer l’aile, il a été conclu qu'un contrôle de la position, de la vitesse et du courant de l'actionneur devait être effectué. Chaque contrôleur est conçu en utilisant la méthode de contrôle de modèle interne (IMC) à partir de la théorie de contrôle classique sur le modèle linéaire de l’actionneur. Les gains obtenus ont été testés avec succès sur le modèle non linéaire de l'actionneur à partir de simulations. Enfin, l’essai de l’actionneur sur un banc de test est suivi d’un essai en soufflerie. Les données de la thermographie infrarouge et des capteurs de Kulite ont révélées qu'en moyenne, dans tous les cas de vols étudiés, le point de transition laminaire à turbulent était retardé au bord de fuite de l'aile.

Le deuxième article porte sur l’application de l’optimisation de l’essaim de particules pour la conception du contrôle de l’actionneur du nouvel actionneur de déformation. Récemment, l'algorithme d'optimisation d'essaims de particules a acquis une réputation dans la famille des algorithmes évolutifs pour la résolution de problèmes non convexes. Bien qu'il ne garantisse pas la convergence, toutefois, s’il est exécuté plusieurs fois en variant les conditions initiales, il permet alors d'obtenir les résultats souhaités.

Dans l'optimisation des essaims de particules, toutes les particules sont associées au vecteur de position et de vitesse. À chaque itération, la vitesse de la particule est calculée sur la base de la meilleure particule et de la meilleure particule globale en association avec des paramètres cognitifs et sociaux ainsi que du moment d'inertie de la particule. Une fois la vitesse calculée, la position suivante de la particule est calculée à l'aide de la somme de la position actuelle de la particule et de la vitesse. Bien que l'optimisation des essaims de particules ne garanti pas de converger vers un minimum global, son algorithme moins coûteux en terme de calcul repose néanmoins sur un nombre réduit d'opérations pour explorer l'espace de recherche. Suite au calcul réussi de la conception du contrôleur utilisant l'optimisation de l'essaim de particules, ses essais sur un banc de test ont été réalisés avec succès. Enfin, les essais en soufflerie ont été effectués sur la base du contrôleur conçu. Les résultats des capteurs infrarouge et Kulite ont révélé une extension des écoulements laminaires sur l’aile en train de se déformer.

Le troisième et dernier article présente la conception du contrôleur par logique floue. Le moteur BLDC est couplé au réducteur qui convertit le mouvement rotatif en mouvement linéaire, ce phénomène est utilisé pour pousser et tirer le revetement flexible qui se déforme. Le moteur BLDC lui-même et son interaction avec l'engrenage et le revêtement déformant sont exposés aux charges aérodynamiques, ce qui en fait un système non linéaire complexe. Il a donc été décidé de concevoir un contrôleur flou capable de contrôler l'actionneur de manière appropriée. Trois contrôleurs flous ont été conçus pour le contrôle du courant, de la vitesse et de la position de l'actionneur de déformation. Les résultats de la simulation ont révélé que le contrôleur développé peut contrôler l'actionneur avec succès. Enfin, le contrôleur conçu a été testé en soufflerie et les capteurs infrarouge et Kulite ont révélé une amélioration de la position du point de transition de l'aile déformée.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the requirements of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 149-175).
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 mars 2020 14:45
Dernière modification: 10 mars 2020 14:45
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2469

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