Synthèse et validation d’un système de freinage automatique sur piste pour avion civil

Design and validation of advanced control laws for civil aircraft antiskid braking systems

• Auteur / Autrice : Amath Waly Ndiaye
• Direction : Jean-Marc Biannic, Mario Cassaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 03/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Traitement de l’Information et Systèmes (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tarbouriech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Biannic, Mario Cassaro, Michel Basset, Franck Cazaurang, Adriano Fagiolini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Basset, Franck Cazaurang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions

Estimation, Théorie de l'

Commande en mode glissant

Commande non linéaire

Freins

Mots clés libres

Estimation

Système de freinage avion

Commande robuste

Glissement

Abs

Commande non linéaire

Estimation

Aircraft antiskid control laws

Tyre slip

Robust control

Nonlinear control

Antilock braking systems (ABS)

Résumé

La problématique traitée dans cette thèse concerne la synthèse de lois de commande pour les systèmes de freinage automatique sur piste des avions civils. Les méthodes développées visent à satisfaire les spécifications de performance et sécurité liées à la minimisation des distances de freinage ainsi que les exigences de robustesse vis-à-vis de conditions de piste variables et des défauts actionneurs. Le développement d'un modèle d'avion au sol destiné à la validation des lois de commande de freinage est dans un premier temps réalisé. L’effort de modélisation est porté sur le train d'atterrissage, de manière à représenter fidèlement l'interaction fortement non linéaire de l'avion avec la piste. En particulier, le modèle permet une prise en compte fine des comportements non linéaires associés aux « shock-absorbers » (suspensions de l’avion). La modélisation proposée démontre, lors de sa validation, un comportement très représentatif, capable de capturer des phénomènes critiques tels que le couplage dynamique des efforts longitudinaux et verticaux appliqués aux roues.La synthèse de quatre correcteurs régulant le glissement des roues est ensuite réalisée. Ces lois de commande sont obtenues par des approches purement non linéaires (modes glissant du second ordre) ou par des approches linéaires séquencées. Les propriétés de robustesse du régime glissant sont un atout majeur ici compte tenu des niveaux élevés d’incertitudes qui affectent la modélisation des contacts pneumatiques/piste. D’autre part, la synthèse linéaire séquencée offre des propriétés de convergence particulièrement intéressantes sous certaines conditions. Le problème de synthèse est particulièrement délicat en raison de la bande passante limitée des servovalves actionnant les freins par rapport à la dynamique élevée (variant en outre très rapidement) du glissement.Ces lois de commande sont complétées par un observateur à états étendus permettant l'estimation des moments d'adhérence, à partir des seules mesures de pressions de freinage et de vitesses de rotation des roues. Enfin, deux superviseurs permettent chacun de générer les consignes de glissement optimal à suivre, afin de maximiser l’efficacité du freinage tout en évitant les départs en blocage.Dans un volet expérimental de la thèse, on s’intéresse à la validation du système de freinage au moyen de simulations HIL faisant intervenir le modèle développé et intégrant le véritable actionneur électro-hydraulique des freins. Une liste complète de scénarios est considérée pour comparer les différentes solutions selon plusieurs métriques de performances. Les résultats révèlent un très bon comportement nominal mais un niveau assez faible de robustesse de l'estimateur vis-à-vis des méconnaissances importantes qui affectent la chaîne d'actionnement. La campagne de validation suggère ainsi la nécessité d'un recours aux données inertielles permettant une meilleure adaptation des lois de commande en glissement et donc une moindre sensibilité à la méconnaissance des actionneurs.

The PhD thesis deals with the design of control laws for automatic braking systems for on-ground civil aircraft. The methods developed aim at satisfying the performance and safety specifications related to the minimization of braking distances as well as the robustness requirements with respect to variable runway conditions and actuator faults.The development of a ground model of the aircraft intended for the validation of the braking control laws is initially carried out. The modeling effort is focused on the landing gear, in order to accurately represent the highly non-linear interaction of the aircraft with the runway. In particular, the model allows a fine consideration of the non-linear behaviors associated with the shock-absorbers. The proposed model demonstrates, during its validation, a very representative behavior, capable of capturing critical phenomena such as the dynamic coupling of longitudinal and vertical forces applied to the wheels.The synthesis of four controllers controlling the wheel slip is then performed. These control laws are obtained by purely non-linear approaches (second order sliding modes) or by gain-scheduled linear approaches. The robustness properties of the sliding mode-based controllers represent a major asset given the high levels of uncertainty affecting the modeling of tire/runway contacts. On the other hand, the linear synthesis methods offer particularly interesting convergence properties under certain conditions. The synthesis problem is particularly challenging considering the limiting bandwidth of the servo-valves actuating the brakes in comparison with the fast (and rapidly varying) slip dynamics.These control laws are supplemented with an extended state observer estimating the wheel grip moments, using only the braking pressures and wheel rotational speeds measurements. Finally, two supervisors are used to generate the optimal slip setpoints to the controllers in order to maximize the braking efficiency while mitigating tire skids.In an experimental part of the thesis, the validation of the braking system by means of HIL simulations is carried out, using the developed aircraft model and integrating the real electro-hydraulic brake actuator. A complete list of scenarios is considered to compare the different solutions according to several performance metrics. The results reveal a very good nominal behavior but a rather low level of robustness of the estimator with respect to important uncertainties affecting the input channel, i.e. the actuators. The validation campaign suggests the need for using Inertial Measurement Unit data allowing a better adaptation of the control laws and thus a lesser sensitivity to the uncertainty affecting the actuators knowledge.