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

par Sovanna Thai

Projet de thèse en Automatique

Sous la direction de Clément Roos et de Spilios Theodoulis.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Systèmes (Toulouse) , en partenariat avec Commande des Systèmes et Dynamique du Vol (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Dans les secteurs aérospatial comme militaire, les besoins en précision et en portée ne cessent de croître, alors que les fortes contraintes de coûts imposent souvent l'utilisation de matériel potentiellement peu performant (actionneurs, capteurs et ordinateurs de bord). Une solution prometteuse pour compenser cette perte de performance consiste à développer des algorithmes de commande de vol avancés, capables de contrôler le système sur tout le domaine de vol en dépit de diverses limitations matérielles, d'incertitudes aérodynamiques, et de saturations en vitesse et en position des actionneurs. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans ce cadre. L'objectif est d'améliorer la précision et d'élargir le domaine opérationnel de systèmes à variation temporelle rapide tels que les lanceurs et projectiles, tout en respectant les contraintes de coût. La première problématique à aborder sera la saturation en position et en vitesse des actionneurs utilisés pour diriger le système. Ces contraintes peuvent venir à la fois du domaine de validité du modèle aérodynamique, et de limitations mécaniques, et peuvent entraîner l'instabilité du vol et une perte de précision si elles sont ignorés. La seconde problématique concerne l'autopilote utilisé pour atteindre la stabilité en boucle fermée et la performance du système. Traditionnellement, on synthétise des contrôleurs linéaires en des points opérationnels de l'enveloppe de vol, qui est ensuite couverte dans son ensemble par interpolation surfacique des gains obtenus. L'inconvénient principal de cette approche est qu'elle ne garantit pas que la surface obtenue soit suffisamment lisse, ce qui peut être source de problèmes. La troisième problématique, soulevée par les automaticiens au cours des dernières années, est liée à l'implémentation finale des gains du contrôleur séquencé décrit ci-dessus, comme fonction de paramètres externes (e.g. vitesse et altitude), mais aussi de paramètres qui influencent directement sa dynamique (e.g. l'angle d'attaque). Des actions correctives doivent être réalisées pour supprimer l'effet parasite lié à ces paramètres, qui créent des couplages cachés dans la dynamique du système en boucle fermé.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    In both the space industry and military domain, the need for improved precision and enhanced range keeps increasing, yet strong cost constraints often dictate the use of potentially low performance hardware (actuators, sensors and onboard computers). A promising solution to compensate for this loss of performance is to develop advanced flight control algorithms. They should be able to control the system on the whole flight envelope and in the presence of various hardware limitations, aerodynamic uncertainties, as well as actuator speed and position saturations. The proposed PhD comes within this framework. It aims at improving the precision and to increase the operating domain of fast time-varying systems such as launchers or projectiles, while maintaining a relevantly reduced cost. The first problem to be tackled will be the position and the speed saturations of the actuators driving the aerodynamic surfaces used to steer the system. These restrictions may stem both from aerodynamic model validity considerations and from purely mechanical limitations, and if not taken into account they may result in flight instability and precision loss. The second problem is affiliated mostly to the baseline autopilot used to achieve the closed loop stability and performance of the system. Traditionally, linear controllers are tuned for a number of design points of the flight envelope, then the resulting gain surfaces are interpolated in order to cover the whole flight envelope. The main issue of this approach is that there is no guarantee that the resulting surfaces are smooth enough, hence controller intrpolation may become problematic. The third problem is connected to the final implementation of the gain-scheduled controller described above and has been especially underlined by control practitioners during the last years. It is connected to the on-line adaptation of the controller gains as a function of external parameters to the airframe flight dynamics (such as speed and altitude), but also of parameters which directly influence its dynamics (such as angle of attack). Corrective actions need to be taken in order to suppress parasitic effects related to these parameters, which create hidden couplings in the closed loop system dynamics.