Application of intelligent robust adaptive flight control laws for the Cessna Citation X business jet

Andrianantara, Mahefatiana Rojo Princy (2026). Application of intelligent robust adaptive flight control laws for the Cessna Citation X business jet. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (39MB) | Prévisualisation

Résumé

The flight control systems design for commercial aircraft remains constrained by the reliance of classical and modern controllers on accurate modeling, extensive gain scheduling, and expert driven tuning. While adaptive and intelligent control techniques offer promising alternatives, their application to safety-critical aviation systems is limited by concerns related to robustness, numerical stability, and certification compatibility. This thesis addresses these challenges through the development and validation of a hybrid adaptive flight control architecture applied to the Cessna Citation X business jet.

The proposed control method combines Proportional Integral–Derivative (PID) controllers for baseline stability with Recursive Least Squares–based Dynamic Inversion and Neural Network adaptation to compensate for modeling uncertainties, nonlinearities, and time-varying dynamics. Dynamic Inversion is achieved using online estimation of local aircraft dynamics from measured state and control increments, thus eliminating the need for explicit aerodynamic models or gain scheduling. Neural network adaptation further compensates for residual inversion errors and actuator nonlinearities, enabling dual online adaptation within a structured and interpretable control architecture.

The methodology is validated using a high-fidelity nonlinear simulation model of the Cessna Citation X across 64 cruise flight conditions covering a wide range of altitudes and airspeeds. Inner-loop controllers for pitch rate, roll rate, and yaw stabilization, as well as outer-loop autopilots for vertical speed, altitude, and heading control, are designed and evaluated using a single controller configuration. Extensive robustness analyses are conducted under wind gusts, Dryden turbulence, actuator noise, and actuator loss-of-effectiveness. Numerical stabilization strategies, including covariance reinitialization and threshold-based adaptation, are introduced to ensure reliable online estimation and dynamic inversion.

Performance evaluation demonstrates accurate signal tracking with steady-state errors below 2%, fast settling times for inner-loop dynamics, and robust disturbance rejection across the full flight envelope. Flying qualities are explicitly assessed using MIL-STD 1797A criteria, and Level 1 requirements are consistently satisfied for short-period, roll, and Dutch-roll dynamics modes. The Lyapunov-based stability analysis confirms boundedness and convergence of all adaptive control elements. Comparative results validation using a Level D research flight simulator data shows improved performance of the controller relative to the baseline onboard controller.

This thesis demonstrates that hybrid adaptive control based on PID stabilization, RLS dynamic inversion, and neural network adaptation provides a scalable, robust, and certification compatible solution for envelope-wide flight control of commercial aircraft. The results establish a practical pathway toward the deployment of adaptive flight control systems in safety-critical aviation applications.

Titre traduit

Application de lois de commande de vol intelligentes, robustes et adaptatives sur l’avion d’affaire Cessna Citation X

Résumé traduit

La conception des systèmes de commande de vol pour les avions commerciaux reste limitée par la dépendance des contrôleurs classiques et modernes à un modèle mathématique précis, à un séquencement des gains et à un réglage effectué à la suite d’une expertise approfondie. Si les méthodes de commande adaptative et intelligente offrent des alternatives prometteuses, leur application aux systèmes aéronautiques est limitée par des préoccupations liées à la robustesse, à la stabilité numérique et à la compatibilité avec leurs certifications. Cette thèse aborde ces défis à travers le développement et la validation d'une architecture de commande de vol adaptative hybride appliquée à l’avion d'affaire Cessna Citation X.

La méthode de contrôle proposée combine des contrôleurs PID pour la stabilité avec une inversion dynamique basée sur l’estimation par la méthode des moindres carrés récursifs et une adaptation à l’aide des réseaux de neurones pour compenser les incertitudes de modélisation, les non-linéarités et les dynamiques variables dans le temps. L'inversion dynamique est réalisée à l'aide d'une estimation en ligne de la dynamique locale de l'avion à partir des incréments d'état et de contrôle mesurés, éliminant ainsi le besoin d’obtenir des modèles aérodynamiques explicites ou de séquencement des gains. L'adaptation du réseau de neurones compense en outre les erreurs d'inversion résiduelles et les non-linéarités des actionneurs, permettant une double adaptation en ligne dans une architecture de contrôle structurée et interprétable.

La méthodologie est validée à l'aide d'un modèle de simulation non linéaire d’haute-fidélité du Cessna Citation X dans 64 conditions de vol de croisière couvrant une large gamme d'altitudes et de vitesses. Les contrôleurs en boucle interne pour la stabilisation du tangage, du roulis et du lacet, ainsi que les pilotes automatiques en boucle externe pour le contrôle de la vitesse verticale, de l'altitude et du cap, sont conçus et évalués à l'aide d'une configuration unique du contrôleur. Des analyses de robustesse approfondies sont menées dans des conditions de rafales de vent, de turbulence de Dryden, de bruit des actionneurs et de perte d'efficacité des actionneurs. Des stratégies de stabilisation numérique, notamment la réinitialisation de la covariance et l'adaptation basée sur des seuils, sont introduites afin de garantir une estimation et une inversion en ligne fiables.

L'évaluation des performances démontre un suivi précis avec des erreurs en régime permanent inférieures à 2 %, des temps de stabilisation rapides pour la dynamique en boucle fermée et une réjection robuste des perturbations sur toute l'enveloppe de vol. Les qualités de vol sont évaluées de manière explicite à l'aide des critères MIL-STD 1797A, et les exigences de niveau 1 sont systématiquement satisfaites pour les modes de dynamique période courte, le roulis et le roulis hollandais. L'analyse de stabilité basée sur Lyapunov confirme la convergence de tous les éléments adaptatifs. Une validation comparative à l'aide d'un simulateur de vol de recherche de niveau D montre une amélioration des performances de notre contrôleur par rapport au contrôleur de référence.

Cette thèse démontre que le contrôle adaptatif hybride basé sur la stabilisation PID, l'inversion dynamique RLS et l'adaptation des réseaux de neurones offre une solution adaptative, robuste et compatible pour la certification du contrôle de vol sur l'enveloppe complète des avions commerciaux. Les résultats établissent une voie pratique vers le déploiement de systèmes de contrôle de vol adaptatifs dans les applications aéronautiques, assurant la sécurité de vol.

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 265-275).
Mots-clés libres:	contrôle de vol adaptatif, inversion dynamique non-linéaire, estimation récursive des moindres carrés, contrôle par réseau de neurones, validation des qualités de vol
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Botez, Ruxandra
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Ghazi, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2026 14:21
Dernière modification:	24 juill. 2026 14:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4008

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt