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Thèse Année : 2023

Aeroelastic Reduced-Order Modeling and Active Control of Flexible Aircraft

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

Résumé

This thesis deals with the aeroelastic modeling of an aircraft, and its active control. By using the aircraft's control surfaces appropriately, it is possible to reduce loads due to wind gusts and turbulence. This reduces the mass of the structures responsible for maintaining the integrity of the aircraft, and thus improves 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 envisaged to improve load reduction capabilities. In addition, future aircraft are likely to have more elongated and flexible wings, which reduce drag but create harmful aeroelastic effects. Flutter is an instability that can lead to wing destruction at high speeds. It can be cancelled, or at least moved out of the flight envelope, by active control of the control surfaces. These two techniques were developed in the thesis using various controller design techniques, mainly based on robust H-infinity synthesis and its variants. Dedicated techniques for modeling aircraft aeroelastic dynamics have also been developed to obtain reduced-order state models, with constraints on the poles. For this purpose, a methodology based directly on the aeroelastic frequency response of the aircraft is employed, 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.
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.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04142881 , version 1 (27-06-2023)
tel-04142881 , version 2 (13-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04142881 , version 1

Citer

Hugo Fournier. Aeroelastic Reduced-Order Modeling and Active Control of Flexible Aircraft. Engineering Sciences [physics]. INSA Lyon, 2023. English. ⟨NNT : 2023ISAL0036⟩. ⟨tel-04142881v1⟩
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