Commande structurée H-infinie de la dynamique rigide et aéro-élastique d'un avion civil

La synthèse des lois de commande d'un avion de transport civil est un défi complexe ; l'avion évolue en effet dans un domaine très large. Les lois de commande sont généralement séquencées en fonction de paramètres comme la vitesse ou l'altitude afin de tenir compte du changement de dynamique d'une condition de vol à une autre. Ces lois doivent en revanche être robustes à des variations de la masse ou de la position du centre de gravité. La synthèse doit finalement trouver le compromis idéal entre robustesse et performance afin d'obtenir la certification de l'avion. Afin de réduire la consommation de carburant et d'augmenter les distances franchissables, la nouvelle génération d'avions civils est composée de matériaux, plus légers et plus souples qui réduisent la rigidité de la structure de l'avion, et provoquent l'apparition d'oscillations perturbatrices; l'avion devient alors plus flexible. Avec des bandes passantes larges, les contrôleurs sont alors capables de détecter ces oscillations perturbatrices, qui influencent les commandes. Optimisées pour les dynamiques rigides, les lois de commandes ne sont plus aussi stables et aussi performantes, et peuvent entraîner l'excitation des modes souples de la structure. Il devient alors nécessaire de tenter de modéliser ces dynamiques flexibles et de procéder à un nouveau réglage des lois de commande en incluant le modèle aérolastique de l'avion. Le but de ce projet est donc de produire une loi de commande qui prend en compte les modèles rigides et flexibles, et qui propose un compromis entre performance et robustesse. Pour effectuer ces nouveaux réglages, on propose d'utiliser une nouvelle méthode de synthèse appelée la synthèse HOE structurée. Cette méthode multi-modèle permet de fixer l'architecture du contrôleur à régler, et de chercher la solution optimale qui respecte des contraintes préalablement définies tout en minimisant d'autres contraintes. Cette méthode semble donc bien adaptée à un contexte industriel où l'on cherche à satisfaire un cahier des charges rempli de contraintes de différentes natures, tout en maintenant une architecture de commande la plus simple possible. À partir des données fournies par Bombardier Aerospace, on prouve d'abord que la technique peut être utilisée pour produire une loi de commande certifiable pour un avion civil. Pour cela, on synthétise un contrôleur robuste auto-séquencé qui satisfait l'ensemble des requis de performance et de stabilité. Dans cette première application, on considère l'ensemble des points de vol de la configuration d'atterrissage de l'avion.

Abstract

The design of a civil transport aircraft control law is a complex challenge; indeed the aircraft operates in a very large flight envelope. Control laws are generally scheduled with respect to parameters such as speed or altitude to acccount for the change in dynamics from one flight condition to another. However, these laws must be robust to variations in mass or centre of gravity position. The synthesis must finally find the ideal compromise between robustness and performance in order to obtain the aircraft certification. To reduce fuel consumption and increase flying range, the new generation of civil airplanes is made of lighter and more flexible materials which reduce the rigidity of the aircraft structure, and cause disruptive oscillations to occur; the aircraft then becomes more flexible. With wide bandwiths, controllers are then able to detect these disruptive oscillations, influencing the control law. Optimized for rigid dynamics, control laws are no longer as stable and as efficient as they used to be, and can lead to the excitation of the structure's flexible modes. It then becomes necessary to try to model these flexible dynamics and to make a new adjustment of the control laws by including the aeroelastic model of the aircraft. The purpose of this project is therefore to produce a control law that takes into account both flexible and rigid models, and offers a compromise between robustness and performance. To make these new settings, it is proposed to use a new synthesis method called the structured HOE synthesis. This multi-model method allows to fix the architecture of the controller, and to look for the optimal local solution that respects the constraints previously defined while minimizing other constraints. This method therefore seems to be well-suited to an industrial context where the aim is to satisfy a full set of specifications of different types of constraints, while maintaining a control architecture that is as simple as possible. Based on the data provided by Bombardier Aerospace, it is first proven that the technique can be used to produce a certifiable control law for a civil aircraft. To do this, we synthesize a robust self-scheduled controller that satisfies all the requirements on performance and stability. In this first application, we consider all the flight cases of the aircraft's landing configuration.