The dissimilar redundant actuation system is a commonly used actuation system in modern airplanes. It receives instructions from the flight control computer and outputs force and displacement to drive the airplane rudder, and realizes airplane trajectory control. Its performance and reliability directly affect the safety of the aircraft, so it is of great significance to study it. Using digital twin technology to model and simulate the dissimilar redundant actuation system can greatly shorten the design and development cycle and reduce the cost. Therefore, it is very meaningful to study the application of digital twin technology in the dissimilar redundant actuation system. In this thesis, we take a typical dissimilar redundant actuation system as the research object, analyze its geometric model, electrical model, flow field model and thermal model, establish its multiphysics model, and conduct research based on digital twin technology, mainly including the following: (1) For the electro-hydrostatic actuator, we study the coupling model of motor control, electrical and thermal; we study the pump-cylinder part of the electro-hydrostatic actuator, and establish its flow field and thermal field. A multiphysics model of the actuator is established and its performance is verified by simulations. (2) Regarding the hydraulic actuator, the flow field and thermal model are studied. For the dissimilar redundant actuation system, the active/active operation mode is adopted, and the multiphysics model is established based on the comprehensive output mode of mechanical force. (3) A digital twin modeling framework of the actuation system and a corresponding model are proposed. While the full technical state is known, the parameters are dynamically updated based on the gradient descent algorithm, so that the model output can follow the actual output. (4) Based on the 3D mode in Unity, perform a three-dimensional dynamic demonstration of the simulation data in the digital space. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Professor Shaoping Wang at Beihang University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Beihang University and Politecnico di Milano.

Il Dissimilar Redundant Actuation System (DRAS) è un sistema di attuazione comunemente usato degli aeroplani moderni. Riceve le istruzioni dal computer di controllo del volo ed emette la forza e lo spostamento per guidare il timone dell'aeroplano e realizza l'assetto di volo dell'aeroplano o il controllo della traiettoria. Le sue prestazioni e affidabilità influiscono direttamente sulla sicurezza dell'aeromobile, quindi è di grande importanza studiarlo. L'utilizzo della tecnologia digital twin per modellare e simulare il DRAS può abbreviare notevolmente il ciclo di progettazione e sviluppo e ridurre i costi. Pertanto, è molto significativo studiare l'applicazione della tecnologia digital twin in tale contesto. In questa tesi, si considera come oggetto di ricerca un tipico sistema DRAS e se ne analizza il modello geometrico, il modello elettrico, il modello del campo di flusso e il modello termico, al fine di sviluppare un modello multifisico e condurre ricerche basate sulla tecnologia digital twin, includendo principalmente quanto segue : (1) Per l'attuatore elettro-idrostatico, si studia il modello di accoppiamento del controllo motore, elettrico e termico; si studia la parte pompa-cilindro dell'attuatore elettro-idrostatico e se ne stabilisce il campo di flusso e il campo termico. Si stabilisce un modello multifisico dell'attuatore elettro-idrostatico si effettuano simulazioni di verifica. (2) Per quanto riguarda l'attuatore idraulico, vengono studiati il campo di flusso e il modello termico. Per il DRAS, viene adottata la modalità di funzionamento attivo/attivo e viene stabilito il modello multifisico basato sulla modalità di uscita completa della forza meccanica. (3) Vengono proposti un ambiente di modellazione digital twin del sistema di attuazione e un modello corrispondente. Sebbene lo stato tecnico completo sia noto, i parametri vengono aggiornati dinamicamente in base all'algoritmo di discesa del gradiente, in modo che l'output del modello possa seguire l'output effettivo. (4) Facendo uso della modalità 3D in Unity, si esegue una dimostrazione dinamica tridimensionale dei dati di simulazione nello spazio digitale. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione della Professoressa Shaoping Wang presso l’Università Beihang nell'ambito del doppio Ms.c. corso di laurea in Ingegneria Elettrica tra l’Università Beihang e il Politecnico di Milano.

Digital twin modeling and performance analysis of dissimilar redundant actuation system

REN, DONGJIE
2021/2022

Abstract

The dissimilar redundant actuation system is a commonly used actuation system in modern airplanes. It receives instructions from the flight control computer and outputs force and displacement to drive the airplane rudder, and realizes airplane trajectory control. Its performance and reliability directly affect the safety of the aircraft, so it is of great significance to study it. Using digital twin technology to model and simulate the dissimilar redundant actuation system can greatly shorten the design and development cycle and reduce the cost. Therefore, it is very meaningful to study the application of digital twin technology in the dissimilar redundant actuation system. In this thesis, we take a typical dissimilar redundant actuation system as the research object, analyze its geometric model, electrical model, flow field model and thermal model, establish its multiphysics model, and conduct research based on digital twin technology, mainly including the following: (1) For the electro-hydrostatic actuator, we study the coupling model of motor control, electrical and thermal; we study the pump-cylinder part of the electro-hydrostatic actuator, and establish its flow field and thermal field. A multiphysics model of the actuator is established and its performance is verified by simulations. (2) Regarding the hydraulic actuator, the flow field and thermal model are studied. For the dissimilar redundant actuation system, the active/active operation mode is adopted, and the multiphysics model is established based on the comprehensive output mode of mechanical force. (3) A digital twin modeling framework of the actuation system and a corresponding model are proposed. While the full technical state is known, the parameters are dynamically updated based on the gradient descent algorithm, so that the model output can follow the actual output. (4) Based on the 3D mode in Unity, perform a three-dimensional dynamic demonstration of the simulation data in the digital space. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Professor Shaoping Wang at Beihang University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Beihang University and Politecnico di Milano.
WANG, SHAOPING
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2022
2021/2022
Il Dissimilar Redundant Actuation System (DRAS) è un sistema di attuazione comunemente usato degli aeroplani moderni. Riceve le istruzioni dal computer di controllo del volo ed emette la forza e lo spostamento per guidare il timone dell'aeroplano e realizza l'assetto di volo dell'aeroplano o il controllo della traiettoria. Le sue prestazioni e affidabilità influiscono direttamente sulla sicurezza dell'aeromobile, quindi è di grande importanza studiarlo. L'utilizzo della tecnologia digital twin per modellare e simulare il DRAS può abbreviare notevolmente il ciclo di progettazione e sviluppo e ridurre i costi. Pertanto, è molto significativo studiare l'applicazione della tecnologia digital twin in tale contesto. In questa tesi, si considera come oggetto di ricerca un tipico sistema DRAS e se ne analizza il modello geometrico, il modello elettrico, il modello del campo di flusso e il modello termico, al fine di sviluppare un modello multifisico e condurre ricerche basate sulla tecnologia digital twin, includendo principalmente quanto segue : (1) Per l'attuatore elettro-idrostatico, si studia il modello di accoppiamento del controllo motore, elettrico e termico; si studia la parte pompa-cilindro dell'attuatore elettro-idrostatico e se ne stabilisce il campo di flusso e il campo termico. Si stabilisce un modello multifisico dell'attuatore elettro-idrostatico si effettuano simulazioni di verifica. (2) Per quanto riguarda l'attuatore idraulico, vengono studiati il campo di flusso e il modello termico. Per il DRAS, viene adottata la modalità di funzionamento attivo/attivo e viene stabilito il modello multifisico basato sulla modalità di uscita completa della forza meccanica. (3) Vengono proposti un ambiente di modellazione digital twin del sistema di attuazione e un modello corrispondente. Sebbene lo stato tecnico completo sia noto, i parametri vengono aggiornati dinamicamente in base all'algoritmo di discesa del gradiente, in modo che l'output del modello possa seguire l'output effettivo. (4) Facendo uso della modalità 3D in Unity, si esegue una dimostrazione dinamica tridimensionale dei dati di simulazione nello spazio digitale. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione della Professoressa Shaoping Wang presso l’Università Beihang nell'ambito del doppio Ms.c. corso di laurea in Ingegneria Elettrica tra l’Università Beihang e il Politecnico di Milano.
File allegati
File Dimensione Formato  
2022_7_Ren.pdf

solo utenti autorizzati dal 08/07/2023

Descrizione: Thesis Text
Dimensione 2.62 MB
Formato Adobe PDF
2.62 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/190637