H-infinity controller and randomised performance tests for gust load alleviation of a transport aircraft

In the last decades, due to more stringent aeronautical regulations on pollution emissions and the economic interests of airlines, aircraft with always lighter and more slender structures are being designed. This trend, allowed by the introduction of composite materials, allows to reduce the aerodynamic drag, which results in a lower fuel consumption, and to increase the payload. However, lighter composite structures experience larger deformations during flight, which produce higher stress into the structure, reducing the lifetime of the airframe. Moreover, slender structures have lower vibrational frequencies which might interact with the aircraft rigid-body modes, rendering traditional controllers, commonly designed accounting only for the rigid dynamics, ineffective. A natural phenomenon frequently encountered during flight and which causes an elevated level of stress inside the aircraft structure is represented by gusts. This topic is gaining increasing interest in the aeronautical research field and several gust load alleviation systems, based on the most various control architecture, have been developed. The main challenge is that of modelling the flexible dynamics of the aircraft in a reliable way and then to take it into account during the design phase. Moreover, high performance controllers usually have to face the problem of actuator saturation, which strongly affects and eventually degrades their performance in real environment. In this work, a gust load alleviation system based on a state-feedback H-infinity controller is designed. The actuator dynamics and saturation are included into the model and constitute a major focus of the design process. The saturation issue is solved by the formulation of an augmented state-space system which includes both plant and actuator dynamics. Thanks to this approach, it is possible to limit the command surface deflections and actuation rates in order to comply with the imposed boundaries. The gust alleviation properties are demonstrated for the entire range of gust gradients requested by European aeronautical certifications, at the design point and in a number of off-nominal conditions as well. An alternative formulation is then proposed in order to increase the controller performance in off-nominal conditions. This process, based on the linear matrix inequalities approach to H-infinity controller design, allows to synthesise a controller which accounts for both nominal and off-nominal conditions. The performance increase in off-design points is actually demonstrated, assessing the validity of this alternative approach. An interesting feature of both nominal and robust controllers is the very limited command use: indeed, the controllers have been designed to employ only ailerons, leaving the elevator free for longitudinal manoeuvres. Moreover, a very limited aileron deflection, well beyond the certification limit, leaves a considerable authority to the flight control system for lateral-directional manoeuvres. Finally, the controller performance with respect to uncertainties in the state-space model is assessed in a probabilistic sense, thanks to the employment of randomised algorithms for performance verification. In this phase, an estimate of the performance probability is computed for different performance levels and different uncertainty radii. The final aim is that of assessing how the controller performance degrades if the system is affected by uncertainties, a very common situation in a real environment.

Negli ultimi decenni, per via delle sempre più stringenti normative aeronautiche sulle emissioni inquinanti e per gli interessi economici delle compagnie aeree, sono stati sviluppati velivoli con strutture via via più leggere e sottili. Questa tendenza, permessa dall'introduzione dei materiali compositi, permette di ridurre la resistenza aerodinamica, che risulta in una riduzione del consumo di carburante, e di incrementare il carico pagante. Tuttavia, queste esili strutture in composito subiscono maggiori deformazioni durante il volo, che producono sforzi più elevati all'interno della struttura, riducendo così la vita utile del velivolo. Inoltre, strutture così sottili hanno frequenze proprie più basse rispetto alle tradizionali strutture in alluminio, che possono quindi interagire con i modi rigidi del velivolo, rendendo i controllori tradizionali, comunemente progettati considerando solamente la dinamica rigida, inefficaci. Un fenomeno naturale incontrato frequentemente durante il volo e che causa un elevato sforzo all'interno della struttura del velivolo è rappresentato dalle raffiche. Questo argomento sta catturando sempre più interesse nel ramo aeronautico della ricerca, dove molteplici sistemi di attenuazione delle raffiche, basati sulle più varie architetture di controllo, sono stati sviluppati. La sfida più grande riguarda la modellazione della dinamica flessibile del velivolo in maniera verosimile e successivamente la sua inclusione nella fase di progetto. Inoltre, controllori ad alte prestazioni sono solitamente costretti ad affrontare il problema della saturazione degli attuatori, che influenza fortemente ed eventualmente può degradare le prestazioni in ambiente reale. In questo lavoro viene sviluppato un sistema di attenuazione delle raffiche basato su un controllore a retroazione degli stati di tipo H-infinito. La dinamica e la saturazione degli attuatori vengono modellate e tenute in considerazione durante la fase di progetto, costituendone uno dei punti di maggior attenzione. Il problema della saturazione viene risolto grazie alla formulazione di un modello agli stati aumentato che include la dinamica sia del sistema che degli attuatori. Grazie a questo approccio, è possibile limitare la deflessione delle superfici di comando e il loro rateo di attuazione per rispettare i limiti imposti. Le proprietà di attenuazione delle raffiche sono dimostrate per tutto l’intervallo di gradienti di raffica prescritto dalle normative aeronautiche europee, sia in condizioni di progetto che in condizioni non nominali. Una formulazione alternativa, volta ad aumentare le prestazioni del controllore in condizioni non nominali, viene poi proposta. Questo processo, basato sul metodo di progetto di un controllore H-infinito tramite le disuguaglianze matriciali lineari, permette di ottenere un controllore che tenga in conto di condizioni sia nominali che non nominali. L’incremento di prestazioni in condizioni non nominali viene effettivamente dimostrato, verificando la validità di questo approccio alternativo. Un’interessante caratteristica sia del controllore nominale che di quello robusto è l’utilizzo molto limitato dei comandi: infatti, il controllore è stato progettato per utilizzare solamente gli alettoni, lasciando l’equilibratore libero per compiere le manovre longitudinali. Inoltre, una deflessione molto limitata degli alettoni, molto al di sotto del requisito certificativo, lascia una considerevole autorità al sistema di controllo per compiere le manovre latero-direzionali. Infine, le prestazioni del controllore rispetto ad incertezze nel modello agli stati vengono verificate in senso probabilistico, grazie all’utilizzo degli algoritmi randomizzati per la verifica di prestazione. In questa fase, viene calcolata una stima della probabilità di prestazione per diversi livelli di prestazione e diversi valori di incertezza. L’obiettivo finale è quello di verificare in che modo la prestazione del controllore degrada se il sistema è affetto da incertezze, una situazione molto comune in ambiente reale.