Study on interactions between roll stability augmentation and active flutter suppression systems

The increasing need for more efficient aircraft propels towards solutions characterized by reduced mass and increased wingspan. These factors accentuate the risk of aeroelastic instability, such as flutter, making the development of active control systems essential to manage or, if possible, eliminate such instabilities. Active Flutter Suppression (AFS) systems emerge as a valid solution to meet this requirement. However, it is crucial to certify the correct interaction with actively controlled systems already implemented in the civil aviation sector, as well as to assess their effectiveness in the presence of uncertainties. In this context, this thesis delves into the interactions between a Roll Stability Augmentation System (SAS) and an active flutter suppression system (AFS). The aircraft’s aeroservoelastic model is formulated in state-space and validated with the corresponding finite element model (FEM) plus doublet lattice method (DLM). The SAS is implemented through Static Output Feedback (SOF) and regulated via a PID, while the AFS is implemented through SOF mimicking the action of an ILAF. These systems are tuned through optimization processes, considering various control strategies. The proper interaction of the two systems is studied in terms of root locus and system response, validating the model in continuous and discrete time. Finally, the impact on the dynamic behavior of the system due to non-linearities present in the aileron kinematic chain is studied parametrically. The correct interaction of the two systems is demonstrated, enabling control of the roll model throughout the flight envelope and an increase in the flutter boundary by 21% in terms of dynamic pressure. Furthermore, the presence of non-linearities produces Limit Cycle Oscillations (LCOs) without inducing anticipations of divergent flutter, thus demonstrating the reliability of the system.

La crescente necessità di aeromobili più efficienti spinge verso soluzioni contraddistinte da una minor massa e un maggiore allungamento alare. Questi fattori accentuano il rischio di instabilità aeroelastica, come il flutter, rendendo essenziale lo sviluppo di sistemi di controllo attivi in grado di gestire o, se possibile, liminare tali instabilità. I sistemi attivi di soppressione flutter (AFS) emergono come una soluzione valida per soddisfare questa esigenza. Tuttavia, è cruciale certificare l’interazione corretta con i sistemi di controllo attivo già implementati in ambito civile, nonché valutarne l’efficacia in presenza di incertezze. In questo contesto, la presente tesi approfondisce l’interazione tra un Stability Augmentation System (SAS) in rollio e un sistema attivo di soppressione del flutter (AFS). Il modello aeroservolastico del velivolo è formulato nello spazio degli stati ed è validato con il corrispettivo modello agli elementi finiti (FEM) più metodo di griglia di doppiette (DLM). Il SAS è implementato attraverso uno Static Output Feedback (SOF) e regolato tramite un PID, mentre l’AFS è implementato attraverso un SOF mimando l’azione di un ILAF. I suddetti sistemi sono sintonizzati attraverso dei processi di ottimizzazione, contemplando diverse strategie di controllo. La corretta interazione dei due sistemi è studiata in termini di luogo delle radici e risposta del sistema, validando il modello in tempo continuo e discreto. Infine, l’impatto sul comportamento dinamico del sistema di non linearità presenti nella catena cinematica degli alettoni è studiato in forma parametrica. La corretta interazione dei due sistemi è dimostrata, consentendo il controllo del modello in rollio in tutto l’inviluppo di volo e un’estensione della frontiera di flutter del 21% in termini di pressione dinamica. Inoltre, la presenza di non linearità produce oscillazioni di ciclo limite (LCOs) senza provocare anticipazioni di flutter divergente, dimostrando dunque l’affidabilità del sistema.