Développement d'une plateforme de simulation et d'un pilote automatique - application aux Cessna Citation X et Hawker 800XP

Ce mémoire présente plusieurs méthodologies destinées à la conception d'outils dédiés à l'analyse de la stabilité et au contrôle d'un avion d'affaires. Dans un premier temps, un modèle de vol générique a été élaboré pour prédire le comportement de l'aéronef suite à des entrées sur ses commandes ou suite à une perturbation quelconque. Pour cela, différents types de vents ont été pris en considération dans le module de simulation afin de générer différents scénarios pour l'analyse et la validation du pilote automatique. En plus d'être assez réaliste, la plateforme de simulation prend en compte la variation des paramètres massiques en fonction de la consommation de carburant. Une comparaison avec un simulateur certifié niveau D de la compagnie CAE Inc. a permis de valider cette première étape avec un taux de réussite acceptable. Une fois la dynamique validée, la prochaine étape permet de conclure sur la stabilité autour d'une condition de vol. Pour cela, une première analyse statique est établie pour trouver les différents points d'équilibre de l'avion. Par la suite, deux algorithmes de linéarisation permettent de générer deux modèles d'états qui approximent les dynamiques découplées (longitudinale et latérale) de l'aéronef. Une comparaison avec la dynamique non linéaire a permis de conclure sur la viabilité des modèles linéaires à partir d'un grand nombre d'essais. L'étude de stabilité a permis de mettre en évidence le besoin de systèmes de commande pour améliorer les performances de l'avion dans un premier temps, puis pour contrôler ses différents axes dans un deuxième temps. Une méthodologie basée sur un couplage entre une technique de contrôle moderne (LQR) et un algorithme génétique y est présentée. Cette dernière a permis de trouver des correcteurs à la fois optimaux et performants qui garantissent un grand nombre de spécifications imposées par deux cahiers des charges. En plus d'être performants, ces derniers se doivent d'être robustes aux variations massiques de l'avion. Pour cela, une analyse de robustesse grâce à la théorie des applications gardiennes a été appliquée sur des dynamiques incertaines. Cependant, en raison d'une région trop sensible de l'enveloppe de vol, certaines analyses sont biaisées. Néanmoins, une validation sur la dynamique non linéaire a permis de vérifier la robustesse des correcteurs.Enfin, la dernière étape de ce projet s'intéresse aux lois de commande du pilote automatique. Encore une fois, la méthodologie proposée, se base sur l'association d'équations de la mécanique du vol, de notions d'automatique et d'une méthode d'optimisation méta-heuristique. Par la suite, quatre scénarios d'essais sont présentés de façon détaillée pour illustrer l'efficacité et la robustesse du pilote automatique au complet.

Abstract

This report presents several methodologies for the design of tools intended to the analysis of the stability and the control of a business aircraft. At first, a generic flight dynamic model was developed to predict the behavior of the aircraft further to a movement on the control surfaces or further to any disturbance. For that purpose, different categories of winds were considered in the module of simulation to generate various scenarios and conclude about the efficiency of the autopilot. Besides being realistic, the flight model takes into account the variation of the mass parameters according to fuel consumption. A comparison with a simulator of the company CAE Inc. and certified level D allowed to validate this first stage with an acceptable success rate. Once the dynamics is validated, the next stage deals with the stability around a flight condition. For that purpose, a first static analysis is established to find the trim conditions inside the flight envelop. Then, two algorithms of linearization generate the state space models which approximate the decoupled dynamics (longitudinal and lateral) of the aircraft. Then to test the viability of the linear models, 1,500 comparisons with the nonlinear dynamics have been done with a 100% rate of success. The study of stability allowed to highlight the need of control systems to improve first the performances of the plane, then to control its different axes. A methodology based on a coupling between a modern control technique (LQR) and a genetic algorithm is presented. This methodology allowed to find optimal and successful controllers which satisfy a large number of specifications. Besides being successful, they have to be robust to uncertainties owed to the variation of mass. Thus, an analysis of robustness using the theory of the guardian maps was applied to uncertain dynamics. However, because of a too sensitive region of the flight envelop, some analyses are biased. Nevertheless, a validation with the nonlinear dynamics allowed to prove the robustness of the controllers over the entire flight envelope. Finally, the last stage of this project concerned the control laws for the autopilot. Once again, the proposed methodology, bases itself on the association of flight mechanic equations, control theory and a metaheuristic optimization method. Afterward, four detailed test scenarios are presented to illustrate the efficiency and the robustness of the entire autopilot.