Système de commande embarqué pour le pilotage d'un lanceur aéroporté automatisé

Design of control system for ailaunch vehicle

• Auteur / Autrice : Van Cuong Nguyen
• Direction : Gilney Raymundo Damm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 11/07/2013
• Etablissement(s) : Evry-Val d'Essonne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Evry ; 2008-2015)
• Jury : Président / Présidente : Alain Glumineau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Naoufel Azouz, Riccardo Marino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anuradha M Annaswamy, Antonio Loría

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Lancement

Commande non linéaire

Avions -- Systèmes de commande

Mots clés libres

Linéarisation par bouclage dynamique

Dynamic feedback linearization

Nonlinear control

Aircraft control

Résumé

Cette thèse traite du problème de la stabilisation d'un système de lancement aéroporté (éventuellement non habité) pour satellites. Le lancement aéroporté consiste à ramener, à l'aide d'un avion, un satellite et son lanceur (fusée) à une certaine hauteur, et d'exécuter son lancement dans les airs (souvent en larguant la fusée). Ceci est similaire au lancement d'un missile par un avion chasseur. La plus grande différence réside dans le rapport de masse entre l'avion et le lanceur qui est beaucoup plus proche de l'unité (fusée lourde comparée à la masse de l'avion). Le système est composé de deux étages: le premier étage est dit avion porteur qui est un véhicule aérien automatisé. Il porte le lanceur qui constitue le deuxième étage (la fusée). Dans la première partie, sont proposées des approches de modélisation pour le système de largage pendant et après le largage. La première approche considère que la phase de séparation est instantanée, mais imparfaite. Par conséquent le système est vu comme un modèle d'aéroplane dont les variables d'état sont avec des larges conditions initiales dues à la séparation imparfaite. Une deuxième approche considère la séparation elle-même, représentée par une forte perturbation (un extrême cas) sur les forces et couples aérodynamiques du modèle au cours d'un intervalle de temps. Dans la deuxième partie, afin de stabiliser le système de largage après la séparation, la commande à intégrateur conditionnel modifié est développée dans un premier temps pour une classe des systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties, avec comme point de départ la théorie introduite par Khalil et co-auteurs pour des systèmes mono entrée mono sortie. Cette commande a été ensuite étendue pour la commande à servo-compensateur conditionnel modifié pour une classe de systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties. Les deux stratégies ont été appliquées pour stabiliser le système de largage pendant et après la phase de séparation. Ces techniques ont l'avantage d'être robustes et de pouvoir utiliser des modèles approximatifs. D'un autre côté, il était important d'examiner la possibilité d'obtenir de meilleures performances en utilisant de meilleurs modèles. Pour cette raison, la commande de linéarisation par bouclage dynamique a été étudiée. Finalement, les performances de toutes ces méthodes de commande (ainsi que certaines commandes de base additionnelles) ont été illustrées par des simulations sous Matlab/Simulink sur un modèle non-linéaire de F-16.

This thesis addresses the problem of the stabilization of an (unmanned) airlaunch system. Air launching consists in bringing a satellite and its launcher (rocket) to a certain height using an aircraft, and then launching it from the air (often by dropping the rocket), in a similar way of launching a missile from a fighter. The main difference is that the envisaged mass ratio is much closer to one (heavy rocket compared to aircraft mass). It is then composed of two stages: the first stage called carrier aircraft consists of an <unmanned> aerial vehicle that carries the launcher which constitutes the second stage (rocket). This thesis starts by introducing the problem and objectives, continues by presenting several approaches to model the airlaunch system, and ends by developing different advanced control methods to stabilize it after the launching phase. In the modeling part we propose a firstly approach called the initial condition model which assumes that the separation phase is instantaneous, and then the airlaunch system is composed of an aircraft model after the launching phase but with large initial conditions on its state variables, caused by a non-perfect split phase. A second approach assumes that the separation phase itself is modeled by a disturbance on aerodynamic forces and moments (from a worst case) during a time interval. In the control part a modified conditional integrator controller for a class of nonlinear multi-input multi-output systems is first developed starting from the conditional integrator theory developed by Khalil and co-workers. It is then extended to a modified conditional servocompensator control for a class of nonlinear multi-input multi-output systems. Both control strategies were then applied to stabilize the airlaunch system after the separation phase. They have the advantage of being very robust, and they don't depend so much on reliable models. Even if these control strategies gave good results, it was investigated in this thesis another control approach much more dependent on detailed and reliable models. This approach was based on dynamic feedback linearization theory, and the main idea is to obtain better performance in trade off better models. Finally, all proposed control methods (plus some standard ones) were compared and illustrated by simulations under Matlab/Simulink on a nonlinear F-16 model. These simulations have shown that the results were as expected, and that each control strategy was well fit for a particular situation.