Algorithmes de contrôle en vol avancés avec compensation anti-windup pour des systèmes aérospatiaux variant rapidement dans le temps

Advanced anti-windup flight control algorithms for fast time-varying aerospace systems

• Auteur / Autrice : Sovanna Thai
• Direction : Clément Roos, Spilios Theodoulis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Marco Lovera
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clément Roos, Spilios Theodoulis, Marco Lovera, Matthew C. Turner, Samir Bennani, Jean-Marc Biannic, Jean-Sébastien Schwartz, Olivier Sename
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew C. Turner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théories non linéaires

Commande H-infini

Mots clés libres

Commande robuste

Synthèse anti-Windup

Séquencement de gain

Mu-Analyse probabiliste

Robust control

Anti-Windup synthesis

Gain scheduling

Probabilistic mu-Analysis

Résumé

Dans le secteur aérospatial, la conception de contrôleurs pour des systèmes évoluant sur un domaine de vol étendu constitue un défi majeur. La dépendance non-linéaire de la dynamique de ces systèmes à des paramètres variant dans le temps, les saturations des actionneurs, et les incertitudes de modélisation comptent parmi les sources de difficulté les plus importantes. Les exigences croissantes en terme de performance et les contraintes de coût associées aux applications industrielles modernes rendent la tâche d’autant plus ardue pour l’ingénieur automaticien, qui doit alors le plus souvent recourir à un processus itératif coûteux. Il existe donc un réel besoin de développer des algorithmes et des outils avancés pour traiter les non-linéarités et les incertitudes, et qui soient applicables à des systèmes aérospatiaux réalistes. Les travaux de thèse s’inscrivent dans ce contexte. L’objectif est de mettre en place une méthodologie pour la conception de lois de contrôle pour des systèmes incertains à paramètres variants, et avec saturation des actionneurs. Pour ce faire, l’idée est d’exploiter et de combiner de manière pertinente le séquencement de gain, la théorie de la commande robuste H-infini, la synthèse anti-windup, et les méthodes d’analyse de robustesse (mu-analyse et analyse IQC) durant la phase de conception. Dans cette optique, la mu-analyse probabiliste fait l’objet de contributions théoriques et algorithmiques qui permettent de mieux répondre aux besoins industriels par rapport à la mu-analyse classique. Le développement de la méthodologie générale s’appuie sur l’étude d’une application aéronautique spécifique, à savoir un concept innovant de projectile guidé gyrostabilisé, caractérisé par de fortes non-linéarités et des couplages dynamiques importants. L’étude de ce système va de la modélisation en boucle ouverte jusqu’aux simulations de Monte Carlo non-linéaires en boucle fermée, illustrant la méthodologie proposée dans un cadre applicatif réaliste.

In the aerospace field, a major challenge related to the development of flight control algorithms consists in designing controllers for systems required to operate over a large flight envelope. The challenges stem from multiple factors, among which parameter-dependent nonlinearities, actuator saturations, and model uncertainties feature prominently. Beyond these technical aspects, the task of the control engineer is further complicated by industrial trends. Indeed, applications grow increasingly complex, while being subject to stringent requirements and cost constraints. Hence, control engineers must often resort to a costly iterative process involving controller tuning and simulations. Thus, there is a need for advanced algorithms and tools able to address the aforementioned nonlinearities and uncertainties in an efficient manner, while being applicable to realistic aerospace systems. The thesis takes place in this context. It aims at setting up a methodology for the control design of parameter-varying systems subject to actuator saturations and uncertainties. This is done by integrating elements of gain scheduling, robust H-infinity control theory, anti-windup synthesis, and robustness mu/IQC-analysis techniques in a cohesive way in the design process. With this goal in mind, theoretical and algorithmic contributions to probabilistic mu-analysis are proposed, bringing mu-analysis closer to industrial needs. Further motivating this work, a specific aeronautic application is considered, namely a novel guided dual-spin projectile concept, steered by four independently actuated canards.This class of systems is characterised by highly nonlinear and coupled dynamics, making control design challenging. The system is studied starting from the open-loop flight dynamics modelling, to nonlinear Monte Carlo closed-loop simulations for autopilot performance evaluation, allowing to illustrate the proposed control design methodology in a realistic context.