Modélisation et commande d'un dirigeable propulsé par la force de flottabilité

Modelling and control of a Buoyancy-Driven Airship

• Auteur / Autrice : Xiaotao Wu
• Direction : Claude Moog
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et informatique appliquée
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande non linéaire

Dirigeables

Mots clés libres

Propulsion par la force de flottabilité

Motion en trois dimensions

Résumé

Un nouveau concept de dirigeable sans propulseur, ni gouvernail de direction, ni gouvernail de profondeur est considéré dans cette thèse. Il est actionné par une masse mobile et une vessie d'air en interne dont la masse est réglable. Cela résulte en le déplacement du centre de gravité et le changement de la force de flottabilité nette. Le développement de ce concept de dirigeable est motivé par les économies d'énergie. Un modèle complet à huit degrés de liberté de ce dirigeable est obtenu par l'approche de Newton-Euler. L'interconnexion entre le corps rigide du dirigeable et de la masse mobile est clairement présentée. La dynamique dans le plan longitudinal est analysée et commandée par la méthode LQR, un simple retour d'état, et la linéarisation maximale par bouclage, avec stabilité interne. Grâce à la linéarisation maximale par bouclage, une commande non linéaire efficace est déduite. Dans ce processus, la modélisation, l'analyse et la commande sont résolues pour les cas particuliers du dirigeable qui deviennent peu à peu moins contraints pour se rapprocher du cas le plus général. Le cas le plus contraint se réduit à un système qui a deux degrés de liberté. Il est montré que les propriétés de base de certains systèmes mécaniques simples restent déterminantes pour l'analyse et la synthèse des dirigeables avancés. Ces propriétés sont loin d'être évidentes sur le modèle complet. Grâce à une approche de perturbations singulières, la superposition des deux actions de contrôle dans le plan longitudinal et dans le plan latéral conduit à la commande efficace de la dynamique en trois dimensions.

A new concept of airship without thrust, elevator or rudder is considered in this thesis. It is actuated by a moving mass and a mass-adjustable internal air bladder. This results into the motion of the center of gravity and the change of the net lift. The development of this concept of airship is motivated by energy saving. An eight degrees-of-freedom complete nonlinear mathematical model of this airship is derived through the Newton-Euler approach. The interconnection between the airship's rigid body and the moveable mass is clearly presented. The dynamics in the longitudinal plane is analyzed and controlled through a LQR method, a simple state feedback, and the maximal feedback linearization with internal stability. Thanks to maximal feedback linearization, an efficient nonlinear control is derived. In this process, the modelling, analysis, and control are solved for special cases of the airship which become gradually closer to the most general model. The most constrained special case reduces to a two DOF system. It is shown that the basic properties of this two DOF mechanical system remain instrumental for the analysis and synthesis of advanced airships. These properties are far from being obvious from the most complex model. Through a singular perturbation approach, the superposition of the two control actions in the longitudinal plane and in the lateral plane is shown to achieve the control of the dynamics in three dimension.