《Fault Tolerant Flight Control: A Benchmark Challenge》

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《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

Christopher Edwards, Thomas Lombaerts, and Hafid Smaili

Christopher Edwards, Thomas Lombaerts, and Hafid Smaili

Christopher Edwards, Thomas Lombaerts, and Hafid Smaili

Christopher Edwards, Thomas Lombaerts, and Hafid Smaili

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: [40] . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Mechanical [33], [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Hydro-mechanical [33], [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Fly-By-Wire Flight Control [33], [35], [34] . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Fault Tolerant Control in Fly-By-Wire Systems,
Sources: [40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Airbus Philosophy, Sources: [22], [30] . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.6 Boeing Philosophy, Sources: [24], [42] . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.7 Short Case Study of Other Fault Tolerant Systems,
Source: [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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: [27] . . . . . . . . 22
1.3.2 Japan Airlines Flight JL123, Source: [27] . . . . . . . . . . . . 26
1.3.3 United Airlines Flight UA232, Source: [27] . . . . . . . . . . . 28
1.3.4 EL AL Cargo Flight LY1862, Source: [40] . . . . . . . . . . . 30
1.3.5 USAir Flight 427 and United Airlines Flight 585,
Sources: [4], [9], [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.6 DHL Cargo Flight above Baghdad, Sources:
[31], [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.7 Final Note on Accident Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4 EarlierAccomplishments in This Field, Source: [40] . . . . . . . . . . . 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. [34]) . . . . . . . . . . . . 148
4.4.3 Summary of TLSMethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5 Real-Time Identification of Aircraft Physical Model for Fault
Tolerant Flight Control, [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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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Ken

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Darrick11

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