Wind tunnel validation of dual loop servo-controllers for aileron positioning under unsteady and steady flow test conditions

This thesis presents an experimental investigation of advanced control architectures for aileron positioning on an aeroelastic wing, with a focus on robustness under uncertain parameters and unsteady aerodynamic disturbances. Building upon prior simulation and limited experimental studies, the work explores a velocity/position dual-loop controller formulation that employs high-order integral terms, as an alternative to classical PID controllers. A comprehensive experimental campaign was designed and executed using a wind tunnel environment and an aeroelastic wing model, evaluating controller behavior on aileron positioning under both non-stationary and stationary flow conditions. Under unsteady flow, performance was assessed through a controlled gust generator and variable test parameters (wing angle of attack, aileron virtual inertia and disturbance frequency). Contrary to prior studies results, the most promising high-order controller showed degraded performance compared to the benchmark dual-loop PID. A subsequent experimental investigation identified a new controller configuration that significantly out-performed the others in terms of aileron positioning precision, though at the cost of higher loop oscillations. This configuration was then validated as the most effective across the full range of tests. Under stationary flow conditions, a structured sampling plan approach was used to systematically vary test parameters. Results confirmed the superior performance of the new controller formulation in tracking precision, also demonstrating significant improvements in robustness to parameter variations, overshoot suppression, and reduced settling time, despite exhibiting again slightly increased control-loop oscillations. These findings indicate that high-order integration architectures are a viable and promis- ing alternative to traditional PID control for aileron actuation, especially when tracking precision, disturbance rejection, and transient response are prioritized over internal loop oscillation.

Questa tesi presenta l’investigazione sperimentale di nuove architetture di controllori per il posizionamento di alettoni aeronautici, rivolgendo particolare attenzione alla robustezza degli stessi a possibili incertezze sulle variabili coinvolte ed ai disturbi aerodinamici agenti sulla superfici di controllo. A partire da precedenti studi numerici e limitate analisi sperimentali, il lavoro esplora una formulazione ’dual-loop’ basata su velocità/posizione, che impiega termini integrali di ordine elevato come alternativa ai classici controllori PID. Al fine di valutare il comportamento dei controllori nel posizionamento degli alettoni in condizioni di flusso sia stazionario che non stazionario e al variare dei parametri del sistema, è stata progettata e realizzata un’ampia campagna sperimentale in galleria del vento, utilizzando un modello aeroelastico di ala. In condizioni di flusso non stazionario, ottenuto mediante un generatore di raffica, si sono analizzate le prestazioni delle diverse architetture di controllori al variare di diversi parametri di test: angolo d’attacco dell’ala, inerzia dell’alettone e frequenza del disturbo aerodinamico generato. Diversamente da quanto emerso dal precedente studio, il controllore di ordine superiore ritenuto più promettente ha mostrato prestazioni inferiori rispetto al riferimento PID dual loop. Una successiva analisi sperimentale ha permesso di identificare una nuova configurazione di controllore, che ha significativamente superato le altre in termini di precisione nel posizionamento dell’alettone, sebbene al costo di un aumento delle oscillazioni interne del loop di controllo. Tale configurazione è stata infine validata come la più efficace, su tutti i successivi test condotti. In condizioni di flusso stazionario invece, è stata adottata una metodologia basata su un piano di prove strutturato, in modo da variare sistematicamente i parametri di prova. I risultati di questo test hanno confermato nuovamente la superiorità della nuova formulazione di controllore in termini di precisione di posizionamento, dimostrando anche notevoli miglioramenti in termini di robustezza a disturbi esterni, riduzione dell’overshoot e diminuzione del tempo di assestamento. Allo stesso tempo, anche in queste prove, è stato osservato un leggero aumento delle oscillazioni del loop di controllo. I risultati degli esperimenti condotti in questa tesi, evidenziano come una corretta formulazione del controllore con elevati ordini di integrazione, possa rappresentare un’alternativa valida e promettente ai tradizionali controllori PID, in particolare in applicazioni nelle quali la precisione di posizionamento, la reiezione dei disturbi e il ridotto transitorio sono condizioni prioritarie rispetto alla minimizzazione delle oscillazioni del controllo.