Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du réglage des lois de pilotage d'un avion de transport civil en phase de dévelop-pement. De par la représentativité limitée des modèles utilisés pour leur réglage initial, certaines lois de pilotages requièrent plusieurs itérations en essais en vol avant d'atteindre un niveau de performance satisfaisant. Il s'agit d'un processus long et coûteux que l'industriel cherche à raccourcir autant que possible. En partant du constat que les données issues des essais en vol sont peu utilisées par rapport aux modèles, nous avons élaboré des méthodologies permettant une exploitation utile de ces données à des fins de réglage de lois de commande. L'avion étant un système à paramètres variants, il faut alors tenir compte du fait que ces données ne sont valables que pour une petite région de son domaine de vol. Par conséquent, les modifications apportées sur les lois de commande, interpo-lées à l'aide des paramètres du domaine de vol, devront être répercutées uniquement dans cette petite région. Nous avons envisagé deux cas : celui d'un travail de retouche hors ligne (i.e. effectué en bureau d'études) et celui d'un réglage en ligne (i.e. directement sur l'avion pendant un vol d'essai). Ces deux aspects d'interpolation et de données locales nous ont fait choisir une méthode d'apprentissage locale pour interpoler les lois de commande. Il s'agit d'une forme de réseau de neurones appelée mélange d'experts dont la structure permet de diviser le domaine de vol en plusieurs sous-domaines et d'affecter à chacun d'eux une modélisation locale. Nous avons ensuite élaboré une méthodologie générique permettant de générer les données à interpoler, de définir la structure du mélange d'experts et d'effectuer son apprentis-sage à la fois dans un cadre hors ligne et en ligne. L'aspect génération de données constitue une part importante de la méthodologie. En effet, dans le cadre d'une loi de commande, l'obtention des données amenées à être interpolées n'est pas triviale. Nous proposons alors une méthode de synthèse basée sur l'inversion de données temporelles, pour le cas de lois feedforward. La structuration du mélange d'experts se compose du choix d'une subdivision optimale du domaine de vol, d'une sélection du type de la modélisation locale et de la gestion des pondérations affectées à chacun des modèles locaux. La méthodologie a fait l'objet de deux applications identifiées par Airbus comme reflétant le problème posé. La première concerne l'estimation du dérapage aérodynamique de l'avion et la seconde une loi feedforward de compensation d'aérofreins. Ces exemples montrent comment la méthode a permis de systématiser un processus de réglage fonctionnant jusque là « à tâtons » .

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink.

Implantés pour la première fois en 1980, les systèmes de commandes de vol électriques (CDVE) équipent désormais tous les avions AIRBUS et constituent un standard industriel dans l’aviation civile. Les CDVE permettent notamment un meilleur contrôle de l’avion (lois de pilotage et pilote automatique plus évolués...) et la mise en place de fonctions spécifiques de protection de l’enveloppe de vol. Les objectifs des avionneurs, dans le cadre de l’amélioration globale des futurs appareils, s’orientent vers des appareils plus stables, plus maniables, moins coûteux et donc plus écologiques. Cela se traduit en particulier par l’augmentation de la disponibilité des systèmes de commande de vol. Actuellement, la solution la plus utilisée par les avionneurs consiste à augmenter la redondance et la dissimilarité matérielles. Ainsi, les paramètres de vol qui sont entre autres nécessaires au calcul des lois de pilotage, sont mesurés par plusieurs capteurs (par exemple trois sondes d’incidence, trois sondes pitot...). Pour chaque paramètre de vol, un choix ou un calcul doit être réalisé pour évincer les sources présentant un dysfonctionnement. Ceci permet de fournir une unique valeur aux autres systèmes de l’appareil tout en s’assurant sa disponibilité. Ce processus est appelé « consolidation ». L’objectif de la thèse est de réaliser des méthodes de détection de dysfonctionnements agissant sur chaque capteur puis de proposer une stratégie de fusion des informations, en vue de remplacer l’actuel processus de « consolidation ». L’idée principale consiste à créer des capteurs dits « logiciels », qui sont des estimateurs des paramètres de vol (mesurés par des capteurs externes de l’avion) utilisant d’autres paramètres de vol dissimilaires (en l’occurence des paramètres inertiels, mesurés par des capteurs différents et internes). La régression PLS (pour partial least squares) permet de réaliser cette estimation. Des stratégies de détection et des méthodes de fusion découlent de ses propriétés. / From the 80’s to today, all AIRBUS civil aircraft are equipped with electrical flight control systems (EFCS). This technology now constitutes an industrial standard for commercial applications. This allows a more sophisticated aircraft control (advanced flight laws, more available autopilot...) and the setting up of specific protection functions of the flight enveloppe. In the framework of a global aircraft optimisation, for future and upcoming programs, current research efforts are dedicated to a more easy-to-handle aircraft, more efficient and so on more environmentally-friendly, resulting in augmented EFCS availability. The industrial state of practice, for all aircraft manufacturers, is to develop high levels of hardware redundancy (more dissimilar sensors for instance). Therefore several sensors (for instance three angle of attack probes, three pitot probes) provide flight parameter measurements which are necessary for the computation of the flight laws, as an example. For each of these measurements, a choice or computation is performed to provide a unique and valid value among the redundant sensors. In parallel, a monitoring is done to discard a measure in case of a failure. Both processes are called « consolidation ». The aim of the Ph.D. is to provide new detection strategies to detect a failure on each sensor (monosensor monitoring) and then to design new data fusion methods to act as the actual « consolidation » process. The main idea proposes to create « software » sensors which actually are flight parameter estimators (measured by external sensors) created thanks to other dissimilar flight parameters (in our case inertial parameters, measured by inner sensors, from a different technology). The partial least squares regression (PLS) is used to perform this estimation. Detection strategies and fusion methods are following from its properties.

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink. / The current civil aircraft's electrical flight control has been changed to take benefit of technical improvements. New technologies, when mature, can be incorporated in aircrafts. Evolutions are considered towards a digital communication and intelligent actuators. This thesis is aiming at proposing alternative architectures with distribution of system functionality between flight control computers and actuators with less hardware and software resources. New architectures must meet the same safety and availability requirements with additional operational reliability (required by airlines). Dependability and robustness of new architectures have been validated trough respectively OCAS / AltaRica and Matlab / Simulink

Un défi à court terme pour les industriels de l’aéronautique est de concevoir des produits sûrs, fiables, compactes, basse consommation et à faible impact environnemental due à la forte concurrence et à l’augmentation des attentes des clients et des autorités de certification. Un défi à plus long terme pour ces organisations est de pérenniser leur savoir-faire et leur expertise qui sont menacés par le départ en retraite de générations d’experts, ingénieurs et techniciens. Relever ces défis n’est pas une tâche facile lorsque les produits concernés sont des systèmes mécatroniques embarqués tel que les systèmes d’actionnement électromécaniques. La conception de ces systèmes complexes nécessite l’intégration de savoirs très hétérogènes dû à l’interaction entre de nombreux métiers de l’ingénierie et entre les différentes lois de la physique qui les caractérisent. De plus, les systèmes mécatroniques embarqués sont constitués de nombreux composants interdépendants. Faire face à l’interdépendance des composants reste une tâche non-triviale et fondamentale du métier d’ingénieur. Ceci provoque des itérations coûteuses durant le cycle de conception et des solutions non-optimisées. Les techniques d’optimisation multidisciplinaire fournissent des fondements théoriques et des outils de calculs permettant l’optimisation de systèmes comportant un grand nombre de variables et des couplages multidisciplinaires. Dans le but d’utiliser ces techniques pour un dimensionnement rapide des produits mécatroniques, des tâches doivent être effectuées : représentation du savoir de conception, décomposition et coordination des modèles pour l’évaluation et l’optimisation des performances du système. Les modèles algébriques ont été choisis pour représenter les différents modèles de conception. Une nouvelle formulation d’optimisation multidisciplinaire est proposée. Elle permet des convergences rapides et s’avère robuste au changement d’échelle. Une approche basée sur la théorie des graphes et le calcul symbolique est proposée pour aider les ingénieurs à la mise en place de problèmes à grand nombre de variables et comportant des couplages multidisciplinaires. Une méthodologie de dimensionnement est présentée ainsi que l’outil logiciel associé. L’objectif principal est de permettre un dimensionnement global des systèmes mécatroniques en se souciant de la réutilisation du savoir et la prise de décision rapide. La méthodologie est illustrée sur un cas académique de système d’actionnement. Ensuite, des systèmes plus complexes sont étudiés. Tout d’abord, la conception d’un système d’actionnement de commandes de vol primaire est effectuée. Enfin, un système d’actionnement d’inverseur de poussée électrique est dimensionné / The critical short term challenge for contemporary aerospace industrial companies is to design safe, reliable, compact, low power consumption and low environmental impact products, forces driven by economic competition and the increasing expectations of customers and certification authorities. A long-term challenge for these organizations is to manage their knowledge and expertise heritage, which is jeopardized due to forthcoming retirement of the current generation of experts, engineers and technicians. Undertaking these challenges is particularly intricate when it comes to embedded mechatronic systems used in electro-mechanical actuation systems. The design of these complex systems involves heterogeneous knowledge due to the interface of multiple engineering specializations and the interacting physical laws that govern their behaviour. Additionally, embedded mechatronic systems are composed of several interdependent components and sub-systems. Dealing with interdependencies remains a non-trivial and fundamental aspect of modern engineering practice. This can result in costly iterations during the design process and final non-optimal solutions. Multidisciplinary System Design Optimization techniques provide theoretical foundations and computational tools for optimizing large and multidisciplinary systems. Tasks must be performed to apply such techniques for rapid initial sizing of mechatronic products: modelling the design knowledge, partitioning and coordinating the models for system performances analysis and optimization. Algebraic analysis functions are chosen to represent the design models. A new Multidisciplinary System Design Optimization formulation for fast and robust analysis is proposed. A theoretic graph approach using symbolic manipulation to assist designers in formulating large and multidisciplinary problems is outlined. A specific design methodology and its associated framework developed are presented. The general objective is to allow holistic sizing of mechatronic engineering systems with emphasis placed on model reusability and rapid decision making. The methodology is illustrated using a simple aerospace actuation system example. More complex actuation systems are then addressed. First, the design of an electro-mechanical primary flight control actuation system is examined, subsequently; the design methodology is applied to an electrical thrust reverser actuation system.

La prochaine génération d’avions civil sera probablement une révolution en termede configuration d’avion, différant largement de l’architecture désormais classique “fuselage- ailes- moteurs sous voilure”. Du point de vue des qualités de vol, la tendance actuelle est d’évoluer versdes avions de moins en moins stables, à la fois en longitudinal et latéral. Il est dès lors probableque les futurs avions ne seront pas directement contrôlables par un humain sans l’apport de lois decommande stabilisantes. Il devient alors nécessaire de considérer l’apport des systèmes de commandesde vol très tôt dans la conception de l’avion, notamment pour le dimensionnement desempennages, gouvernes et actionneurs, contrairement au processus actuel qui ne prend principalementen compte que des critères “boucle ouverte” d’équilibre en phase de conception préliminaire.Plutôt qu’un processus itératif de dimensionnement puis synthèse de lois de commande, nousproposons d’optimiser simultanément les tailles de gouvernes, actionneurs et commandes de volen tenant compte des instabilités longitudinales et latérales, ainsi que des contraintes industriellessur la structure de correcteurs, sur un cas d’application de type aile volante. Ce processus de“co-design” permet de dimensionner des paramètres physiques de l’avion en tenant compte desapports d’une boucle de retour pour contrer des perturbations externes telles que de la turbulenceatmosphérique, permettant un avion plus sûr et optimal. / Next generation of civil transport aircraft is likely to be a radical change in overallconfiguration compared to traditional tube-and-wing design. From a handling qualities perspective,current trend in modern airliners is to evolve towards more and more unstable aircraft, bothfrom longitudinal and lateral-directional point of view. As a consequence future aircraft may notbe controllable by human operator without stabilizing control laws. It then becomes necessaryto consider flight control systems contribution early in the design phase for control surfaces,empennages and actuators sizing, as opposed to traditional way of working dealing only withopen-loop criteria for preliminary sizing. Instead of an iterative process of sizing and controllaws synthesis, we propose to concurrently optimize control surfaces, actuators and flight controllaws taking into account longitudinal and lateral instability as well as industrial structure forcontrollers, for unstable configurations such as Blended Wing-Body (BWB). This “co-design”procedure enables sizing of physical aircraft parameters taking into account benefits from feedbackstabilization for counteracting external disturbance such as atmospheric turbulence, thus leadingto safer and more optimal aircraft configurations.

Cette thèse CIFRE est réalisée dans le cadre d'un partenariat entre le laboratoire IMS de l'Université Bordeaux I et Airbus Operations S.A.S à Toulouse. Le thème abordé concerne la détection robuste et précoce de deux types particuliers de pannes dans le système de commandes de vol, à savoir l'embarquement et le grippage des gouvernes de profondeur. Afin de contribuer à l'optimisation du design structural des futurs avions, l'objectif est de proposer des méthodes capables d'améliorer les performances en détection des techniques actuellement en place, tout en garantissant un haut niveau de robustesse. Trois stratégies de surveillance à base de modèle sont présentées. La première solution est basée sur un filtre de Kalman dédié, associé à une procédure d'optimisation de ses paramètres. La seconde technique est basée sur un test de décision appliqué dans l'espace paramétrique, à une direction sensible identifiée. Finalement, une troisième approche consiste à utiliser un différentiateur à modes glissants pour estimer les dérivées du signal d'entrée et de sortie de la boucle d'asservissement. Les méthodes développées ont été implémentées dans le calculateur de commandes de vol et validées sur les bancs de tests Airbus et même en vol. Les résultats expérimentaux ont clairement mis en évidence l'apport des techniques présentées dans cette thèse par rapport à l'état de l'art industriel.

Afin d’introduire de nouvelles fonctions dans les commandes de vol d’hélicoptère, il est nécessaire d’augmenter les bandes passantes de leurs actionneurs. La modélisation réaliste de l’ensemble du système d’actionnement, rendant compte de ses limitations de puissance et de sa consommation énergétique, ainsi que l’amélioration des technologies existantes des dispositifs d’étanchéité et de guidage sont les deux enjeux principaux permettant d’atteindre la durée de vie souhaitée à hautes fréquences. Pour supporter ce nouveau développement, ce travail s’organise en trois parties. Une première partie présente l’état de l’art des commandes de vol de l’hélicoptère. Une architecture générique d’actionneur est proposée ainsi que la terminologie associée. Une deuxième partie porte sur l’élaboration d’un modèle de connaissance détaillé à l’aide du formalisme Bond-graph pour le système d’actionnement. Un effort particulier est porté sur la standardisation des composants et de leurs interfaces dans une démarche orientée objet. La dernière partie traite concerne les dispositifs d’étanchéité et de guidage au niveau des vérins de commande de vol. Compte tenu de l’objectif d’utiliser des paliers fluides, les différentes manières de générer une force normale au sein d’un film fluide sont analysées. Puis, une étude plus approfondie des butées hydrostatiques et des paliers hybrides coniques est ensuite conduite en tenant compte des contraintes propres à l’aéronautique. L’ensemble des connaissances acquises sont appliquées à un cas concret de développement assisté par les modèles d’actionneur hautes fréquences pour le contrôle actif de rotor. / In order to introduce new functions in helicopter flight controls, it is necessary to increase the bandwidths of their actuators. A realistic modelling of the entire actuating system, taking into account its power limitations and its energy consumption, as well as the improvement of the existing sealing and guiding device technologies are the two main challenges to reach the desired high frequency without reducing dramatically the actuator lifespan. To support this new development, this work is organized in three parts. A first part presents the state of the art of the helicopter flight controls. A generic actuator architecture is proposed as well as the associated terminology. A second part deals with the development of a detailed knowledge-model using the Bond-graph formalism for the actuating system. A particular effort is made to standardize the components and their interfaces in an object-oriented approach. The last part deals with the sealing and guiding devices of flight control cylinders. Given the objective of using fluid bearings, the various ways of generating a normal force within a fluid film are analyzed. Then, a more detailed study of the hydrostatic thrust bearings and the conical hybrid bearings is then carried out taking into account the constraints specific to aeronautics. All the knowledge acquired is applied to a concrete case of development, aided by the models, of high frequency actuators for the active control of a rotor.

Le travail de recherche effectué dans cette thèse a été réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE entre le laboratoire IMS de l'université Bordeaux 1 et la société Airbus Operations S.A.S. Cette thèse traite de la détection robuste et précoce des pannes oscillatoires de faible amplitude dans les systèmes de commandes de vol électriques. Une panne oscillatoire est une oscillation anormale d'une surface de contrôle due à un dysfonctionnement dans la chaîne d'asservissement de la servocommande d'une gouverne. Les pannes oscillatoires ont une influence sur la structure, l'aéroélasticité et la pilotabilité de l'avion, lorsqu'ils sont situés dans la bande passante de l'actionneur. La capacité à détecter ces pannes est très importante car elles ont un impact sur la conception structurale de l'avion. Au plan méthodologique, nous nous sommes focalisés sur l'estimation adaptative des paramètres et de l'état à base d'une technique de filtrage non linéaire local. Le mécanisme de filtrage opère sur un modèle non linaire de la chaine de contrôle-commande de l’actionneur hydraulique en amont des surfaces de contrôle. L'algorithme d'estimation est basé sur une interpolation polynomiale d'opérateurs linéaire, et offre l'avantage d'une implémentation relativement aisée. Un problème crucial et sous-jacent est la détermination des hyper-paramètres de réglage de cet algorithme. Nous avons proposé une démarche hors-ligne dédiée, en intégrant un critère de sensibilité vis-à-vis des pannes que nous devons détecter. La technique proposée a été implémentée et testée: les résultats expérimentaux obtenus sur banc essai et sur un simulateur A380 ont clairement mis en évidence l'apport de la nouvelle approche en termes de performances, tout en gardant le même niveau de robustesse. / The research work done in this PhD has been caried out in the frame of an industrial convention (CIFRE) between the IMS laboratory and Airbus Operations S.A.S. The thesis deals with robust and early detection of oscillatory failures (OFC: Oscillatory Failure Case) in the Electrical Flight Control System. An oscillatory failure is an abnormal oscillation of a control surface due to component malfunction in control surface servoloops. OFCs have an influence on structural loads, aeroelasticity and controllability when located within the actuator bandwidth. The ability to detect these failures is very important because they have an impact on the structural design of the aircraft. Usual monitoring techniques cannot always guarantee to remain within an envelope with acceptable robustness. In this work, we develop a model based strategy to detect such failures with small amplitude at a very early stage. The monitoring strategy is based on dedicated non linear local filtering for on-line joint parameter/state estimation, allowing for model parameter variations during A/C flight. This strategy is associated with the same decision making rules as currently used for in-service Airbus A380. We propose a method for adjusting the tuning parameters so that various design goals and trades-off can be easily formulated and managed. The performance of the proposed fault detection scheme is measured by its detection delay, its propensity to issue false alarms and whether it permits a failure to go undetected. The proposed technique has been implemented and tested with success on Airbus test facilities including an A380 flight simulator.