Longitudinal autopilot design for canard airframe

This thesis aims to design a longitudinal autopilot for a statically stable and unstable canard missile, exploiting simple MATLAB commands to assess the viability of common linear techniques and architectures for such systems. Requirements are defined both in time and frequency domains. The starting point is a 6-DOF Simulink model with LUT databases and trim condition of Straight&Level. Differently from previous works, the plant under study is not replaced by its short-period approximation during tuning and final evaluation. For the first task, systune can utilize both LTI approximations and direct complete Simulink linearizations to determine the gains; for the second task, the final results are always related to the final Simulink model. Developed within a company, another thesis objective is to keep the problem as straightforward as possible to enable fast tuning and to reduce time during the initial design phases. Three Hold Modes are evaluated: Pitch Hold, Climb Rate Hold, and Altitude Hold; each architecture is made of PID (SISO) controllers. About the last Mode two options, a simple feedback loop and a feedback loop in parallel with the climb rate hold loop, are given. After trimming, a tuning algorithm is developed to set constraints on systune. This involves iteratively adjusting tuning goals' internal parameters to evaluate different possible valid solutions. Results are discussed at the end and obtained by injecting step increases of analyzed variables. The final responses largely meet the imposed requirements except for some trim points near the boundary of the flight envelope, meaning that the tuning algorithm and these simple architectures are suitable enough for the first design concepts but require in-depth specialization. By shrinking the envelope neglecting low-speed trim conditions, it is possible with given gains to achieve optimal final responses.

L'obiettivo di questa tesi è il design di un autopilota longitudinale per un missile in configurazione canard in due diverse versioni, stabile e instabile, sfruttando semplici comandi MATLAB per verificare se tecniche lineari e architetture comuni possono essere adatte a questo tipo di sistemi. I requisiti imposti sono definiti nel dominio del tempo e in frequenza. Il punto di partenza è un modello Simulink 6-DOF con all'interno LUTs e una condizione di assetto di tipo Straight&Level. Diversamente dai lavori precedenti, il sistema non viene sostituito sia durante il tuning che durante la valutazione delle risposte finali dalla sua approssimazione di corto periodo. Riguardo al tuning, systune può utilizzare sia le approssimazioni LTI che la linearizzazione diretta e completa dal modello Simulink per trovare i guadagni finali; per quanto riguarda il secondo aspetto, i risultati finali sono sempre frutto del modello Simulink completo. Essendo stato sviluppato all'interno di un'azienda, un altro obiettivo del lavoro è mantenere il problema il più semplice possibile per un ottenere i guadagni rapidamente e ridurre il tempo di conceptual design. Sono state valutate tre modalità di Hold: Pitch, Climb Rate e Altitude Hold, ed ogni architettura è composta da controller di tipo PID. Riguardo l'ultima, due opzioni sono state considerate: un loop in retroazione e un loop in retroazione in parallelo al loop legato al climb rate. Dopo aver ottenuto i punti di trim del sistema, un algoritmo di tuning è stato sviluppato per impostare vincoli di systune, modificando iterativamente i suoi parametri interni al fine di valutare diverse soluzioni valide. I risultati sono discussi alla fine e ottenuti a partire da un comando di tipo step. Le risposte finali rispettano abbastanza bene i requisiti imposti, tranne per alcuni punti al limite dell'inviluppo di volo, il che significa che l'algoritmo e queste architetture sono sufficientemente adatti per essere una prima versione ma richiedono una specializzazione più approfondita. Riducendo l'inviluppo trascurando le condizioni di trim a bassa velocità, è possibile ottenere risposte agli step ottimali già con i guadagni dati.