Contrôle du vol longitudinal d'un avion civil avec satisfaction de qualités de manoeuvrabilité

Satisfaire les qualités de manœuvrabilité demeure toujours une contrainte essentielle lors de la conception des commandes de vol. Ces critères de différentes natures sont le fruit d'une longue expérience d'essais en vol et d'analyse de données et il convient de les considérer pour espérer un bon comportement de l'appareil en vol. Dans ce cadre, l'enjeu de cette thèse est d'élaborer des méthodes de synthèse capables de satisfaire au mieux ces critères en respectant d'une part des architectures classiques imposées par le constructeur et, d'autre part, en adoptant une nouvelle architecture de contrôle. Le travail est effectué sur le vol longitudinal d'un avion d'affaire de Bombardier Inc., le Challenger 604. Une première étape consiste à rassembler les qualités de manœuvrabilité les plus souvent utilisées et de les confronter. Nous étudions plus particulièrement le critère du dropback pour lequel une analyse théorique permet d'établir une formulation pratique utilisable lors d'une synthèse. De plus, la confrontation de ces critères sur un modèle standard met en évidence des critères dominants, qui, une fois satisfaits, impliquent que d'autres critères le sont aussi. Nous pouvons dès lors considérer le problème de satisfaction de ces critères dominants dans le cadre d'une loi de contrôle dont l'architecture est imposée. Nous nous tournons alors du côté des applications gardiennes (Saydy et al., 1990). Initialement destinées à l'étude de la robustesse, elles sont intégrées dans différents algorithmes pour la synthèse de correcteur. Ce problème s'inscrit dans le cadre plus général de stabilisation par retour de sortie et de synthèse de correcteurs d'ordre réduit. Il en ressort des algorithmes permettant la stabilisation de système et le placement de pôles dans une région du plan complexe. Ceux-ci sont étendus dans le cadre du séquencement du contrôleur sur toute l'enveloppe de vol en fonction de certains paramètres. Nous faisons ensuite fi de la structure du correcteur en conservant seulement les mêmes sorties. L'idée est à présent d'utiliser une synthèse H pour obtenir un correcteur satisfaisant les qualités de manœuvrabilité grâce à l'appariement avec un modèle de référence et robuste à des variations de masse et de centrage de l'avion. Grâce aux travaux sur la commande modale robuste (Magni, 2002), nous pouvons réduire substantiellement l'ordre de ce correcteur ainsi que le structurer afin de nous rapprocher d'une architecture classique. Une méthode d'auto-séquencement de correcteurs, nous permet finalement de séquencer ce correcteur à travers toute l'enveloppe de vol. Deux voies différentes sont donc empruntées pour la résolution du même problème; chacune montre ses avantages et ses inconvénients.

Abstract

Fulfilling handling qualities still remains a challenging problem during flight control design. These criteria of different nature are derived from a wide experience based upon flight tests and data analysis, and they have to be considered if one expects a good behavior of the aircraft. The goal of this thesis is to develop synthesis methods able to satisfy these criteria with fixed classical architectures imposed by the manufacturer or with a new flight control architecture. This is applied to the longitudinal flight model of a Bombardier Inc. business jet aircraft, namely the Challenger 604. A first step of our work consists in compiling the most commonly used handling qualities in order to compare them. A special attention is devoted to the dropback criterion for which theoretical analysis leads us to establish a practical formulation for synthesis purpose. Moreover, the comparison of the criteria through a reference model highlighted dominant criteria that, once satisfied, ensure that other ones are satisfied too.Consequently, we are able to consider the fulfillment of these criteria in the fixed control architecture framework. Guardian maps (Saydy et al., 1990) are then considered to handle the problem. Initially for robustness study, they are integrated in various algorithms for controller synthesis. Incidently, this fixed architecture problem is similar to the static output feedback stabilization problem and reduced-order controller synthesis. Algorithms performing stabilization and pole assignment in a specific region of the complex plane are then proposed. Afterwards, they are extended to handle the gain-scheduling problem. The controller is then scheduled through the entire flight envelope with respect to scheduling parameters. Thereafter, the fixed architecture is put aside while only conserving the same output signals. The main idea is to use H synthesis to obtain an initial controller satisfying handling qualities thanks to reference model pairing and robust versus mass and center of gravity variations. Using robust modal control (Magni, 2002), we are able to reduce substantially the controller order and to structure it in order to come close to a classical architecture. An auto-scheduling method finally allows us to schedule the controller with respect to scheduling parameters. Two different paths are used to solve the same problem; each one exhibits its own advantages and disadvantages.