Active Flutter suppression including uncertainties

Abstract

The effects associated with aeroelastic phenomena constitute an important class of problems involved in aircraft design, especially because they can compromise the safety of air vehicles. In particular, flutter stands out as a potentially catastrophic instability, with design requirements established by certification agencies to ensure the development of air vehicles. In general, commercial aircraft have flutter speed outside the operational flight envelope. On the other hand, there are active control systems being developed, with different levels of technological readiness, around the world, by companies in the aeronautical sector and research centers. However, studies that evaluate how tolerant such active flutter suppression systems are to the presence of uncertainties in the physical properties of aircraft are still embryonic, although this understanding is fundamental, especially for practical applications in flight envelope. Thus, this thesis comprises the development of an evaluation method for unsteady aerodynamic approximation. Parametric uncertainty flutter analysis through LMI-based techniques. Active flutter suppression of uncertain aeroelastic system with piezoelectric actuators and the limit cycle oscilation with uncertain freeplay. The methodology will be based on the formulation of convex spaces and the solution of controllers through Linear Matrix Inequalities (LMI). A typical section with unsteady aerodynamics will be considered, with uncertain airspeed, structural frequencies and actuation system, described parametric affine model. The results shows a valitation of the proposed control design with wind tunnel test results. The main ideia is to proposes LMIs analysis methodology and control design to as an alternative to classical solutions for aeroelastic systems.

Os efeitos associados aos fenômenos aeroelásticos constituem importante classe de problemas envolvidos no projeto de aeronaves, especialmente porque podem comprometer a segurança dos veículos aéreos. Em particular, destaca-se o flutter por ser uma instabilidade potencialmente catastrófica, tendo requisitos de projeto estabelecidos pelas agências de certificação para assegurar o desenvolvimento dos veículos aéreos. Em geral, aeronaves comerciais têm a velocidade de flutter fora do envelope operacional de voo. Por outro, existem sistemas de controle ativo sendo desenvolvidos, com diferentes níveis de prontidão tecnológica, ao redor do mundo, por empresas do setor aeronáutico e centros de pesquisa. No entanto, ainda são embrionários os estudos que avaliam o quanto tais sistemas de supressão ativa de flutter são tolerantes a presença de incertezas nas propriedades físicas das aeronaves, embora seja fundamental esta compreensão, especialmente para aplicações práticas em voo. Assim, esta tese apresenta o desenvolvimento de um método de avaliação para a aproximação aerodinâmica não estacionária. Análise de flutter com incerteza paramétrica através de técnicas baseadas em LMIs (Linear Matrix Inequalities). Supressão de flutter ativo de um sistema aeroelástico incerto com atuadores piezoelétricos e a oscilação de ciclo limite com incerteza de folga. A metodologia será baseada na formulação de espaços convexos e na solução de controladores através de Desigualdades Matriciais Lineares (LMIs). Será considerada uma seção típica com aerodinâmica não estacionária, com incerteza de velocidade do ar, frequências estruturais e sistema de atuação, descrito por um modelo paramétrico afim. Os resultados mostram uma validação do projeto de controle proposto com resultados de testes em túnel de vento. A ideia principal é propor a metodologia de análise e projeto de LMIs como uma alternativa às soluções clássicas para sistemas aeroelásticos.