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Abstract(s)
Fixed-wing flying vehicles are usually controlled by means of control surfaces such as elevator, ailerons, and rudder. These surfaces are operated by hydraulic and/or electric actuators. ln case of failure of the control surface systems (i.e., control actuators and coupling devices), the aircraft may suffer damages leading to severe or even fatal crashes.
An increasing history of accidents and incidents motivated researchers to investigate the use of propulsion as an emergency flight control and ever since researches on propulsion controlled flying vehicles have gained increased popularity in the last decades, expanding from safety purposes only as investigators realised propulsion control is more flexible than classical control surfaces and propulsion controlled vehicles are prone to highly fast attitude stabilisation and trajectory tracking.
Distributed electric propulsion opens even further opportunities for propulsion controlled aircraft, introducing faster response engines with additional thrust capability, granting scale-free integration flexibility and no power lapse as altitude increases. Also, the DEP implementation profits from aero-propulsive coupling benefits, noise reduction with a substantially lower acoustic impact and a positive impact on the environment.
Thus, the emergence of the DEP system concept as a control actuator potentiates new capabilities for future aircraft's design, efficiency and robustness, improving the performance of conventional designs, including reducing the traditional control surfaces and decreasing the aircraft's control system vulnerability to engine-out cases.
Hence, the present work addresses the issue of robust lateral-directional dynamics control for a propulsion controlled aircraft with parameter uncertainties, aiming to understand how to robustly control an aircraft through its distributed electric propulsion system and how to use this capability to introduce improvements in an aircraft's design. Concretely, the core issue focuses on designing a hybrid robust roll-yaw controller which is able to deal with a standalone propulsion control operation mode as well as a conventional mode, combining, if needed, both propulsion control and control surface operation.
The proposed methods are then validated through computational simulation on realistic flight scenarios, namely several levelled coordinated tums and a critical engine failure. Thus, this work shines a light on the distributed electric propulsion technology potential as a control actuator, taking a step towards reducing our environmental footprint in a time where the need for environmentally responsible solutions in aircraft technology is an indisputable concern.
As aeronaves de asa fixa são geralmente controladas por meio de superfícies de controlo como o leme de profundidade, ailerons e leme de direção. Estas superfícies são operadas através de atuadores hidráulicos e/ou elétricos. Em caso de falha dos sistemas de superfície de controlo (isto é, dos atuadores de controlo e dispositivos de acoplamento), a aeronave pode sofrer danos, levando a acidentes graves ou até mesmo fatais. Uma história crescente de acidentes e incidentes motivou investigações sobre o uso da propulsão como controlo de voo em situações de emergência e, desde então, pesquisas relativas a aeronaves controladas por propulsão ganharam uma popularidade crescente nas últimas décadas, deixando de ser motivada exclusivamente por razões de segurança à medida em que os investigadores se foram apercebendo que o controlo de propulsão é mais flexível do que as superfícies de controlo clássicas e que os veículos controlados por propulsão são propensos a uma estabilização de atitude e rastreamentos de trajetória altamente rápidos. A propulsão elétrica distribuída abre ainda mais oportunidades para aeronaves controladas por propulsão, introduzindo motores com respostas mais rápidas e com capacidade de tração adicional, garantindo flexibilidade de integração sem escala e sem perda de potência à medida que a altitude aumenta. Além disso, a implementação da propulsão elétrica distribuída beneficia das vantagens do acoplamento aero-propulsivo, redução de ruído com um impacto acústico substancialmente mais baixo e um impacto positivo no ambiente. Assim sendo, o conceito do sistema de propulsão elétrica distribuída como atuador de controlo potencializa novos recursos para o projeto, eficiência e robustez de futuras aeronaves, melhorando o desempenho dos projetos convencionais, incluindo a redução das superfícies de controlo tradicionais e da vulnerabilidade do sistema de controlo da aeronave a casos de falha de motores. Deste modo, o presente trabalho aborda a questão do controlo robusto da dinâmica laterodirecional para uma aeronave controlada por propulsão com incertezas de parâmetros, com o objetivo de entender como controlar uma aeronave de forma robusta através do seu sistema de propulsão elétrica distribuída e como usar essa capacidade para introduzir melhorias no projeto de aeronaves. Concretamente, a questão central concentra-se no projeto de um controlador híbrido robusto, capaz de lidar com um modo de operação independente de controlo por propulsão e um modo convencional, combinando, se necessário, o controlo por propulsão e a operação das superfícies de controlo. Os métodos propostos são então validados através de simulações computacionais em cenários de voo realistas, tais como várias curvas coordenadas niveladas e uma falha crítica do motor.
As aeronaves de asa fixa são geralmente controladas por meio de superfícies de controlo como o leme de profundidade, ailerons e leme de direção. Estas superfícies são operadas através de atuadores hidráulicos e/ou elétricos. Em caso de falha dos sistemas de superfície de controlo (isto é, dos atuadores de controlo e dispositivos de acoplamento), a aeronave pode sofrer danos, levando a acidentes graves ou até mesmo fatais. Uma história crescente de acidentes e incidentes motivou investigações sobre o uso da propulsão como controlo de voo em situações de emergência e, desde então, pesquisas relativas a aeronaves controladas por propulsão ganharam uma popularidade crescente nas últimas décadas, deixando de ser motivada exclusivamente por razões de segurança à medida em que os investigadores se foram apercebendo que o controlo de propulsão é mais flexível do que as superfícies de controlo clássicas e que os veículos controlados por propulsão são propensos a uma estabilização de atitude e rastreamentos de trajetória altamente rápidos. A propulsão elétrica distribuída abre ainda mais oportunidades para aeronaves controladas por propulsão, introduzindo motores com respostas mais rápidas e com capacidade de tração adicional, garantindo flexibilidade de integração sem escala e sem perda de potência à medida que a altitude aumenta. Além disso, a implementação da propulsão elétrica distribuída beneficia das vantagens do acoplamento aero-propulsivo, redução de ruído com um impacto acústico substancialmente mais baixo e um impacto positivo no ambiente. Assim sendo, o conceito do sistema de propulsão elétrica distribuída como atuador de controlo potencializa novos recursos para o projeto, eficiência e robustez de futuras aeronaves, melhorando o desempenho dos projetos convencionais, incluindo a redução das superfícies de controlo tradicionais e da vulnerabilidade do sistema de controlo da aeronave a casos de falha de motores. Deste modo, o presente trabalho aborda a questão do controlo robusto da dinâmica laterodirecional para uma aeronave controlada por propulsão com incertezas de parâmetros, com o objetivo de entender como controlar uma aeronave de forma robusta através do seu sistema de propulsão elétrica distribuída e como usar essa capacidade para introduzir melhorias no projeto de aeronaves. Concretamente, a questão central concentra-se no projeto de um controlador híbrido robusto, capaz de lidar com um modo de operação independente de controlo por propulsão e um modo convencional, combinando, se necessário, o controlo por propulsão e a operação das superfícies de controlo. Os métodos propostos são então validados através de simulações computacionais em cenários de voo realistas, tais como várias curvas coordenadas niveladas e uma falha crítica do motor.
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Keywords
Controlo Por H-Infinito Controlo Robusto Por Propulsão Dinâmica de Voo Latero-Direcional Incertezas de Parâ Metros Propulsão Eléctrica Distribuída.