Design and development of intelligent actuator control methodologies for morphing wing in wind tunnel

Résumé

Afin de protéger notre environnement en réduisant les émissions de carbone de l'aviation et en rendant les opérations aériennes plus économiques en carburant, plusieurs collaborations ont été établies à l'échelle internationale entre les universités et les industries aéronautiques du monde entier. Suite aux efforts de recherche et développement du projet CRIAQ 7.1, le projet MDO 505 a été lancé dans le but de maximiser le potentiel des avions électriques. Dans le projet MDO 505, de nouveaux actionneurs basés sur des moteurs à courant continu sans balai sont utilisés. Ces actionneurs sont placés le long de la corde sur deux lignes d'actionnement. L'aile de démonstration, composée de longerons et d'un revêtement souple, est composée de fibres de verre. Les modèles 2D et 3D de l'aile ont été développés en XFOIL et Fluent. Ces modèles d'ailes peuvent être programmés pour déformer l'aile dans diverses conditions de vol tel que le nombre de Mach, l’angle d'attaque et le nombre de Reynolds, permettant ainsi de calculer des profils optimisés. L'aile a été testée dans la soufflerie de l'IRA NRC (Ottawa). Les actionneurs sont montés avec des capteurs LVDT pour mesurer le déplacement linéaire. Le revêtement flexible est intégré aux capteurs de pression pour détecter l'emplacement du point de transition laminaire - turbulent. Cette thèse présente à la fois la modélisation linéaire et non linéaire du nouvel actionneur de déformation. Les techniques classiques et modernes de l'IA pour la conception du système de commande d'actionneur sont présentées. La conception et la validation de la commande de l'actionneur l’aide de la soufflerie renvoient à trois articles, le premier article présente la conception du contrôleur et les tests en soufflerie du nouvel actionneur de déformation pour l’extrémité d'une aile d'avion. Les nouveaux actionneurs de déformation sont constitués d’un moteur BLDC couplé à un engrenage qui convertit le mouvement de rotation en mouvement linéaire. La modélisation mathématique est effectuée afin de dériver une fonction de transfert basée sur les équations différentielles. Afin de pouvoir déformer l’aile, il a été conclu qu'un contrôle de la position, de la vitesse et du courant de l'actionneur devait être effectué. Chaque contrôleur est conçu en utilisant la méthode de contrôle de modèle interne (IMC) à partir de la théorie de contrôle classique sur le modèle linéaire de l’actionneur. Les gains obtenus ont été testés avec succès sur le modèle non linéaire de l'actionneur à partir de simulations. Enfin, l’essai de l’actionneur sur un banc de test est suivi d’un essai en soufflerie. Les données de la thermographie infrarouge et des capteurs de Kulite ont révélées qu'en moyenne, dans tous les cas de vols étudiés, le point de transition laminaire à turbulent était retardé au bord de fuite de l'aile. Le deuxième article porte sur l’application de l’optimisation de l’essaim de particules pour la conception du contrôle de l’actionneur du nouvel actionneur de déformation. Récemment, l'algorithme d'optimisation d'essaims de particules a acquis une réputation dans la famille des algorithmes évolutifs pour la résolution de problèmes non convexes. Bien qu'il ne garantisse pas la convergence, toutefois, s’il est exécuté plusieurs fois en variant les conditions initiales, il permet alors d'obtenir les résultats souhaités. Dans l'optimisation des essaims de particules, toutes les particules sont associées au vecteur de position et de vitesse. À chaque itération, la vitesse de la particule est calculée sur la base de la meilleure particule et de la meilleure particule globale en association avec des paramètres cognitifs et sociaux ainsi que du moment d'inertie de la particule. Une fois la vitesse calculée, la position suivante de la particule est calculée à l'aide de la somme de la position actuelle de la particule et de la vitesse. Bien que l'optimisation des essaims de particules ne garanti pas de converger vers un minimum global, son algorithme moins coûteux en terme de calcul repose néanmoins sur un nombre réduit d'opérations pour explorer l'espace de recherche. Suite au calcul réussi de la conception du contrôleur utilisant l'optimisation de l'essaim de particules, ses essais sur un banc de test ont été réalisés avec succès. Enfin, les essais en soufflerie ont été effectués sur la base du contrôleur conçu. Les résultats des capteurs infrarouge et Kulite ont révélé une extension des écoulements laminaires sur l’aile en train de se déformer. Le troisième et dernier article présente la conception du contrôleur par logique floue. Le moteur BLDC est couplé au réducteur qui convertit le mouvement rotatif en mouvement linéaire, ce phénomène est utilisé pour pousser et tirer le revetement flexible qui se déforme. Le moteur BLDC lui-même et son interaction avec l'engrenage et le revêtement déformant sont exposés aux charges aérodynamiques, ce qui en fait un système non linéaire complexe. Il a donc été décidé de concevoir un contrôleur flou capable de contrôler l'actionneur de manière appropriée. Trois contrôleurs flous ont été conçus pour le contrôle du courant, de la vitesse et de la position de l'actionneur de déformation. Les résultats de la simulation ont révélé que le contrôleur développé peut contrôler l'actionneur avec succès. Enfin, le contrôleur conçu a été testé en soufflerie et les capteurs infrarouge et Kulite ont révélé une amélioration de la position du point de transition de l'aile déformée.

Date	6 janv. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ruxandra Botez (Directeur(-trice))