《Fault Tolerant Flight Control: A Benchmark Challenge》
本帖最后由 请叫我雷锋 于 2017-8-24 13:20 编辑《Fault Tolerant Flight Control: A Benchmark Challenge》
容错飞行控制：基准挑战
编者：
Christopher Edwards
Thomas Lombaerts,
Hafid Smaili
出版社：Springer
出版时间：2010年
目录
Part I Surviving the Improbable: Towards Resilient Aircraft Control
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Thomas Lombaerts, Hafid Smaili, Jan Breeman
1.1 Towards More Resilient Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 History of Flight Control Systems, Source: . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Mechanical , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Hydro-mechanical , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Fly-By-Wire Flight Control , , . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Fault Tolerant Control in Fly-By-Wire Systems,
Sources: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Airbus Philosophy, Sources: , . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.6 Boeing Philosophy, Sources: , . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.7 Short Case Study of Other Fault Tolerant Systems,
Source: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.8 A Final Note on Fault Tolerance Properties
Incorporated in Current Fly by Wire Flight Control
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Rationale of Damage Tolerant Control - Aircraft Accident
Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 American Airlines Flight AA191, Source: . . . . . . . . 22
1.3.2 Japan Airlines Flight JL123, Source: . . . . . . . . . . . . 26
1.3.3 United Airlines Flight UA232, Source: . . . . . . . . . . . 28
1.3.4 EL AL Cargo Flight LY1862, Source: . . . . . . . . . . . 30
1.3.5 USAir Flight 427 and United Airlines Flight 585,
Sources: , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.6 DHL Cargo Flight above Baghdad, Sources:
, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.7 Final Note on Accident Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4 EarlierAccomplishments in This Field, Source: . . . . . . . . . . . 40
X Contents
1.4.1 Self-Repairing Flight Control System (SRFCS)
Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.4.2 MD-11 Propulsion Controlled Aircraft (PCA) . . . . . . . . . 41
1.4.3 NASA Intelligent Flight Control System (IFCS) F-15
Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.5 Research Challenges and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 Fault Tolerant Flight Control - A Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Michel Verhaegen, Stoyan Kanev, Redouane Hallouzi,
Colin Jones, Jan Maciejowski, Hafid Smail
2.1 Why Fault Tolerant Control? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Fault Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 Modelling Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.1 Multiplicative Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.2 Additive Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.3 Component Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Main Components in an FTC System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 FTC ProblemFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.1 Passive Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2 Active Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6 State-of-the-Art in Fault Tolerant Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.1 Classification of ReconfigurableControl . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.2 Multiple Model Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.3 ControlAllocation (CA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.6.4 Adaptive Feedback Linearization via Artificial
NeuralNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.5 SlidingMode Control (SMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.6.6 Eigenstructure Assignment (EA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6.7 Model ReferenceAdaptive Control (MRAC). . . . . . . . . . 78
2.6.8 Model Predictive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.6.9 Model Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.6.10 AdaptiveControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.7 Comparison of Fault Tolerant Flight Control Methods . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Fault Detection and Diagnosis for Aeronautic and Aerospace
Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
David Henry, Silvio Simani, Ron J. Patton
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2 Fault Detection and Diagnosis Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.1 The Parity-Space Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.2 Particle Filtering Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.3 Nonlinear EKF Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.4 Observer-Based Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.5 Norm-BasedApproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Contents XI
3.2.6 H∞ Fault Estimation Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.7 Non-linear FDDMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.8 SlidingMode Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3 Application Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.1 Application to ‘Oscillatory Failure Case’ (OFC) . . . . . . . 110
3.3.2 SimulatedAircraftModel FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.3 AerospaceMission Application Examples . . . . . . . . . . . . 113
3.3.4 Robust Diagnosis for Mars Express Satellite Thruster
Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4 Real-Time Identification of Aircraft Physical Models for Fault
Tolerant Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Ping Chu, Jan Albert (Bob) Mulder, Jan Breeman
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2 History of Aircraft Model Identification at Delft University of
Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3 The Two StepMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.1 Decomposition of Aircraft State and Parameter
Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.3.2 Estimation Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.3 Techniques to Cope with Estimation Biases . . . . . . . . . . . 146
4.4 On-Line Parameter Estimation Using Least Squares and Total
Least Squares Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4.2 Sequential Total Least Squares (Ref. ) . . . . . . . . . . . . 148
4.4.3 Summary of TLSMethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5 Real-Time Identification of Aircraft Physical Model for Fault
Tolerant Flight Control, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5 Industrial Practices in Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Philippe Goupil
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2 AircraftDevelopment Process - The V-Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.3 Some ‘Golden Rules’ for Designing a Highly Dependable
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4 Flight Control Computer Functional Specification . . . . . . . . . . . . . 161
5.5 SystemValidation and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.6 An Example of Monitoring: A380 Oscillatory Failure Case
Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
XII Contents
Part II RECOVER: The Benchmark Challenge
6 RECOVER: A Benchmark for Integrated Fault Tolerant Flight
Control Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Hafid Smaili, Jan Breeman, Thomas Lombaerts,
Diederick Joosten
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.2 Flight 1862 Accident Reconstruction and Simulation . . . . . . . . . . 172
6.2.1 Sequence of Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.2 Analysis of Flight 1862 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.3 FailureMode Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.2.4 Flight Data Reconstruction and Simulation . . . . . . . . . . . 181
6.3 GARTEUR RECOVER Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.3.1 Description. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.3.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.3.3 Fault Scenarios Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3.4 GraphicalUser Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.5 AircraftVisualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.3.6 User Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3.7 Aircraft Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.4 GARTEUR RECOVER Benchmark Applications . . . . . . . . . . . . . 218
6.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7 Assessment Criteria as Specifications for Reconfiguring Flight
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Thomas Lombaerts, Diederick Joosten, Hafid Smaili,
Jan Breeman
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.2 Specification Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.2.1 General Evaluation Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.2.2 TestManoeuvres forQualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Part III Design Methods and Benchmark Analysis
8 Fault Tolerant Control Using Sliding Modes with On-Line
Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Halim Alwi, Christopher Edwards
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.1.1 SlidingMode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.1.2 SlidingMode Control and ControlAllocation . . . . . . . . . 248
8.2 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.2.1 ProblemFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.2.2 Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Contents XIII
8.3 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.3.1 Fault Tolerant ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.3.2 Heading and Altitude Control and EPR Control
Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.3.3 ILS Landing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.3.4 Fault Tolerant Control Simulation Results . . . . . . . . . . . . 264
8.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9 An Adaptive Fault-Tolerant FCS for a Large Transport Aircraft . . . 273
Adolfo Sollazzo, Gianfranco Morani, Andrea Giovannini
9.1 Fault-Tolerant FCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.1.1 AdaptiveModel-Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.1.2 The SCAS Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.1.3 Limitations and Practical Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.2 The Classic A/P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.3 NumericalValidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.4 FutureDevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10 Subspace Predictive Control Applied to Fault-Tolerant Control . . . . 293
Redouane Hallouzi, Michel Verhaegen
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
10.2 Architecture of the Fault-Tolerant Control System . . . . . . . . . . . . . 295
10.2.1 Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.2.2 Fault Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.3 Closed-Loop Subspace Predictive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.3.1 Closed-Loop Subspace Predictor (CLSP) . . . . . . . . . . . . . 297
10.3.2 Closed-Loop Subspace Predictor Integrated with a
Predictive Control Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.4 SPC (Re-)configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.5 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.5.1 Trajectory Following for the Nominal Case . . . . . . . . . . . 306
10.5.2 Trajectory Following for Elevator Lock-in-Place . . . . . . 307
10.5.3 Trajectory Following for Rudder Runaway . . . . . . . . . . . 309
10.5.4 Trajectory Following for “Bijlmerramp”
Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
10.5.5 Discussion of the Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . 312
10.6 Real-Time Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
XIV Contents
11 Fault-Tolerant Control through a Synthesis of Model-Predictive
Control and Nonlinear Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
D.A. Joosten, T.J.J. van den Boom, M. Verhaegen
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
11.2 Overall Control-Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
11.2.1 Model Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
11.2.2 NonlinearDynamic Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
11.2.3 Model Predictive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
11.2.4 ControlAllocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.3 Modeling and Dynamic Inversion of the Benchmark
Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11.4.1 Reference Tracking: Stabiliser Runaway . . . . . . . . . . . . . 331
11.4.2 Right Turn and Localiser Intercept . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12 A FTC Strategy for Safe Recovery against Trimmable Horizontal
Stabilizer Failure with Guaranteed Nominal Performance . . . . . . . . 337
J´erome Cieslak, David Henry, Ali Zolghadri
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.2 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.3 ProblemStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12.4 Model-Based FDI Schemes: Some Assumptions for an
Integrated FDI/FTC Design Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
12.4.1 Analysis of the FTC Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
12.4.2 Some Outlines for the Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
12.4.3 The Case of an Observer-Based FDI Scheme . . . . . . . . . 346
12.5 Important Issues about Stability and Performance in Faulty
Situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
12.6 FM-AG16 FTC Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.6.1 Modelling the Aircraft Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.6.2 Modeling the Autoflight and FCS Systems . . . . . . . . . . . 350
12.6.3 Design of K(s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
12.6.4 Nonlinear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
12.7 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Appendix A: Bumpless Switching Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Appendix B: Computed Controller ˆK (s) = CˆK(sI − AˆK)−1ˆBK +
ˆD
K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
13 Flight Control Reconfiguration Based on Online Physical Model
Identification and Nonlinear Dynamic Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Thomas Lombaerts, Ping Chu, Jan Albert (Bob) Mulder
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Contents XV
13.2 On Line Nonlinear Damaged Aircraft Model Identification:
Two StepMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.2.1 Aircraft State Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13.2.2 AerodynamicModel Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
13.3 Real Time AerodynamicModel Identification . . . . . . . . . . . . . . . . 371
13.4 Application on the Boeing 747 Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
13.4.1 TrimHorizontal Stabilizer (THS) Runaway . . . . . . . . . . . 373
13.4.2 Loss of the Vertical Tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
13.4.3 Feedback of Aircraft Stability and Control Effector
Information to the Pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
13.5 Trigger for Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.6 Reconfiguring Control: Adaptive Nonlinear Dynamic
Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.6.1 Autopilot Control:Assessment Criteria . . . . . . . . . . . . . . 382
13.7 Computational Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.9 Current and FutureWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
14 A Combined Fault Detection, Identification and Reconfiguration
System Based around Optimal Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . 399
Nicholas Swain, Shadhanan Manickavasagar
14.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
14.1.1 ControlAllocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
14.1.2 Fault Detection and Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
14.1.3 Software and Hardware Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
14.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
14.3 Fault Tolerant Control SystemOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.3.1 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.3.2 Outer-Loop Controller/Autopilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
14.3.3 Non-linearDynamic Inversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
14.3.4 Direct ControlAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
14.3.5 Aerodynamic FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14.3.6 Actuator FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.3.7 Flight Envelope Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
14.4 Benchmark Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
14.4.1 LongitudinalControl Failure Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
14.4.2 Lateral Control Failure Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
14.4.3 El-AL Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
14.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
XVI Contents
15 Detection and Isolation of Actuator/Surface Faults for a Large
Transport Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Andras Varga
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
15.2 Design of Least Order Scalar OutputDetectors . . . . . . . . . . . . . . . 424
15.3 Solving Fault Isolation Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
15.4 Computational Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
15.5 MonitoringActuator Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
15.5.1 Component Level Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
15.5.2 SystemLevelMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
15.5.3 Pitch Axis FaultMonitoring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
15.5.4 Gear and Roll Axes FaultMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . 439
15.6 Summary of Achieved Results and Needs for Further
Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
Part IV Real-Time Flight Simulator Assessment
16 Real-Time Assessment and Piloted Evaluation of Fault Tolerant
Flight Control Designs in the SIMONA Research Flight
Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
Olaf Stroosma, Thomas Lombaerts, Hafid Smaili, Mark Mulder
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
16.2 EvaluationMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
16.2.1 ExperimentDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
16.2.2 DependentMeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
16.2.3 Participants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
16.2.4 Simulator Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
16.2.5 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
16.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
16.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Appendix 1: Failuremode test matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
Appendix 2: Cooper Harper Handling Qualities Rating Scale . . . . . . . . . . 474
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
17 Piloted Evaluation Results of a Nonlinear Dynamic Inversion
Based Controller Using Online Physical Model Identification . . . . . . 477
Thomas Lombaerts, Ping Chu, Hafid Smaili, Olaf Stroosma,
Jan Albert (Bob) Mulder
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
17.2 Fly-by-Wire ANDI Control Law Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
17.3 Fly-by-Wire ANDI Control Law Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
17.4 Analysis Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
17.4.1 FTC and Pilot Performance Analysis Results: Time
Histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Contents XVII
17.4.2 Handling Qualities Analysis Results: CH
Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
17.4.3 PilotWorkloadAnalysis Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
17.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
18 Model Reference Sliding Mode FTC with SIMONA Simulator
Evaluation: EL AL Flight 1862 Bijlmermeer Incident Scenario . . . . 501
Halim Alwi, Christopher Edwards, Olaf Stroosma,
Jan Albert (Bob) Mulder
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
18.2 A Model Reference Sliding Mode Control Allocation
Scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
18.3 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
18.3.1 Lateral ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
18.3.2 LongitudinalControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
18.4 SIMONA Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
18.5 SIMONA Flight Simulator Results with Experienced
Pilots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
18.5.1 SMC Controller Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
18.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Part V Conclusions
19 Industrial Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Philippe Goupil, Andres Marcos
19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
19.2 Considerations for CommercialAircraft - AIRBUS . . . . . . . . . . . . 522
19.2.1 Industrial Limitations and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . 523
19.2.2 An AircraftManufacturer Perspective . . . . . . . . . . . . . . . 524
19.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
19.3 Perspectives for AerospaceApplications - Deimos Space . . . . . . . 528
19.3.1 Context and Significance of the FM-AG16 for Space
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
19.3.2 Assessment of the Techniques and Results . . . . . . . . . . . . 532
19.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
20 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Christopher Edwards, Thomas Lombaerts, Hafid Smaili
20.1 Summary of Achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
20.2 Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
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雖然是基礎課程,看來當教材也不錯!謝謝啦! 大气和空间飞行器的自动控制，飞控，多谢雷锋 非常感谢 谢谢分享。 very good 谢谢 感谢 非常好！非常感谢！ 多谢雷锋