Commande adaptative pour avion de transport tolérante aux erreurs de modèle et aux pannes

• Main Author: Oudin, Simon
• Other Authors: Toulouse, ISAE
• Language: fr
• Published: 2013
• Subjects: Lois de pilotage; Contrôle adaptatif; Estimation en ligne; Contrôle tolérant aux pannes; Modèle de référence; Flight control law; Adaptive control; Online estimation; Fault-tolerant Control; Reference model; 629.8
• Online Access: http://www.theses.fr/2013ESAE0033

Cette thèse s'intéresse à l'adaptation des lois de pilotage d'un avion de transport civil aux différentes incertitudes qui peuvent affecter sa dynamique. Le procédé de pilotage adaptatif est censé fonctionner en temps réel à bord de l'avion afin d'optimiser la performance boucle fermée en fonction des conditions dans lesquelles il évolue. Les incertitudes peuvent être liées à la méconnaissance des conditions de vol (par exemple la vitesse et l'altitude), à des non-linéarités aérodynamiques inconnues ou encore à la méconnaissance du pilote aux commandes. Les procédés adaptatifs qui répondent à ces problèmes se doivent d'être performants sur l'ensemble du domaine opérationnel de l'avion en présence de perturbations réalistes. D'autres contraintes spécifiques peuvent être ajoutées en fonction du contexte (par exemple des charges limites, la stabilité aéroélastique, etc.). Plusieurs méthodes adaptatives sont testées afin d'adapter le système aux larges incertitudes qui le composent. Elles associent en général un estimateur en ligne (aussi appelé loi de mise-à-jour) à une loi de commande structurée. La synthèse de ces deux éléments peut être réalisée simultanément pour les méthodes adaptatives dites " directes ", comme par exemple le Model Reference Adaptative Control qui utilise la stabilité au sens de Lyapounov. Mais cette synthèse peut aussi être découplée pour les méthodes adaptatives dites "indirectes", ce qui offre un large choix de techniques pour chaque élément (comme les Moindres Carrés pour l'estimation de paramètres physiques incertains et la synthèse sous forme LFR pour le correcteur). Le choix de la méthode dépend fortement du contexte applicatif et des nombreuses contraintes associées. Trois applications sont au cœur de ce mémoire. Elles traitent de l'ajustement de lois de guidage à un modèle pilote inconnu, du contrôle longitudinal de non-linéarités de l'avion, et de la mise au point de lois longitudinale et latérale de pilotage manuel qui s'adaptent à des conditions de vol inconnues. Des méthodes avancées d'analyse linéaire et non-linéaire (dérivées de la µ-analyse et d'algorithmes d'optimisation) sont aussi mises en place pour valider ces systèmes sophistiqués adaptatifs en temps réel. D'une façon générale, les méthodes adaptatives indirectes ont donné le plus de satisfaction. Leur performance est aussi bonne que celle des méthodes directes, mais le fait qu'elles estiment en ligne des paramètres physiques facilite la surveillance temps réel du procédé adaptatif et sa validation. === This thesis deals with adapting flight control laws of a civil transport aircraft to various incertainties which can affect its behaviour. The adaptive flight control system is supposed to run in real time onboard the airplane so that its closed-loop performance is optimized with respect to the current conditions. These incertainties may be linked to unknown flight conditions (e.g. unknown airspeed and altitude), or unknown aerodynamics non-linearities or even unknown behaviour of the pilot in command. The adaptive schemes that are derived to answer these problems must be valid on the whole flight envelope with realistic disturbances but other additional contraints may exist depending on the context (e.g. loads limits, aeroelastic stability, etc.). To accommodate for large uncertainties on the system, adaptive methods are investigated. They usually combine an online estimator (also called an update law) with a structured flight control law. The synthesis of both elements may be simultaneous on 'direct' adaptive methods, e.g. on Model Reference Adaptive Control, using Lyapunov's stability theory. But it can also be decoupled on 'indirect' adaptive methods, giving a full spectrum of techniques for both elements (such as Least-Squares for estimating unknown physical parameters and the LFR framework for designing controllers). The choice of a specific method really depends on the application context and the related constraints.Three applications are the core of this report. They deal with adjusting guidance law to the pilot's unknown behaviour, controlling a longitudinal non-linearity, and providing manual longitudinal and lateral flight control laws which adapt to unknown flight conditions. Advanced linear and non-linear analysis techniques (based on µ-analysis or on optimization algorithms) are also applied to validated these sophisticated real-time adaptive systems. Results showed that indirect adaptive schemes were generally the most satisfactory. Their performance is similar to the one of direct schemes but as indirect methods provide physical parameter estimates, real-time monitoring and offline validation seem quite easier.