Modélisation aéroélastique d'ordre réduit et contrôle actif d'avions flexibles

Aeroelastic reduced-order modeling and active control of flexible aircraft

• Auteur / Autrice : Hugo Fournier
• Direction : Paolo Massioni, Minh Tu Pham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vidal-Sallé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo Massioni, Minh Tu Pham, Emmanuelle Vidal-Sallé, Daniel Alazard, Marco Lovera, Laurent Bako, Rafael Palacios, Isabelle Queinnec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Alazard, Marco Lovera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Aérodynamique

Aéronautique

Mots clés libres

Aéronautique

Automatique

Aéroélasticité

Aéroservoélasticité

Identification de système

Stabilité/Stabilisation

Mécanique

Avion

Contrôle actif

Aérodynamique urbaine

Aeronautics

Automatics

Aeroelasticity

Aeroservoelasticity

System idnetification

Stability/Stabilization

Mechanics

Aircraft

Active control

Urban aerodynamics

Résumé

Cette thèse porte sur la modélisation aéroélastique d'un avion, et à son contrôle actif. En utilisant les surfaces de contrôle de l'avion de manière appropriée, il est possible de réduire les charges dues aux rafales de vents et à la turbulence. Cela permet de réduire la masse des structures responsables de maintenir l'intégrité de l'avion, et donc d'améliorer les performances du design global. L’utilisation d’un lidar, un senseur permettant de mesurer la vitesse du vent plusieurs dizaines de mètres à l’avant de l’avion, est envisagée pour améliorer les capacités de réduction de charges. De plus, les futurs avions devraient avoir des ailes plus allongées et flexibles, ce qui réduit la traînée mais crée des effets aéroélastique néfastes. Le flottement est une instabilité pouvant amener à une destruction de l'aile, à haute vitesse. Il peut être annulé ou au moins déplacé en dehors de l'enveloppe de vol grâce au contrôle actif des surfaces de contrôle. Ces deux techniques ont été développées dans la thèse au moyen de diverses techniques de design de contrôleurs, principalement basées sur la synthèse robuste H-infini et ses variantes. Des techniques dédiées pour modéliser la dynamique aéroélastique de l’avion ont été développées. Pour obtenir des modèles d’états d’ordres réduits, avec des contraintes sur les pôles. Pour ce faire, une méthodologie basée directement sur la réponse fréquentielle aéroélastique de l’avion est employée, par opposition aux techniques classiques basées sur des équations mêlant l'aérodynamique et la dynamique structurelle, qui amènent en général à des modèles d’ordre importants, inutilisables par les techniques modernes de synthèse de contrôleurs.

This thesis deals with the aeroelastic modeling of an aircraft, and its active control. By using the control surfaces of the aircraft in an appropriate way, it is possible to reduce the loads due to wind gusts and turbulence. This reduces the mass of the structures responsible for maintaining the integrity of the aircraft, thus improving the performance of the overall design. The use of lidar, a sensor that measures wind speed several tens of meters ahead of the aircraft, is being considered to improve load reduction capabilities. In addition, future aircraft should have longer and more flexible wings, which reduces drag but creates harmful aeroelastic effects. Flutter is an instability that can lead to wing destruction at high speeds. It can be cancelled or at least moved outside the flight envelope by active control of the control surfaces. These two techniques have been developed in the thesis using various controller design techniques, mainly based on the robust H-infinite synthesis and its variants. Dedicated techniques to model the aeroelastic dynamics of the aircraft have been developed. To obtain reduced order state models, with constraints on the poles. To do so, a methodology based directly on the aeroelastic frequency response of the aircraft is used, as opposed to classical techniques based on equations mixing aerodynamics and structural dynamics, which generally lead to large order models, unusable by modern controller synthesis techniques.