Autor: MUÑOZ MEDINA, Álvaro

Título: Aeroservoelastic Control of a Highly Coupled Dynamic System with Nonlinear Additions

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

Departamento: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90592/

Director/a(s):

• Director/a: GARCÍA-FOGEDA NÚÑEZ, Pablo

Resumen: The increasing use of high-aspect-ratio wings in UAVs has opened new opportunities in long-endurance and high-altitude operations, but has also introduced significant aeroelastic challenges. The structural flexibility inherent to these aircraft makes them particularly vulnerable to aeroelastic instabilities. To address these issues, the application of active flutter suppression (AFS) techniques has gained growing interest, offering the potential to extend flight envelopes and improve safety margins in flexible aircraft. This thesis presents the modelling, simulation, and control design of an AFS system based on an H-infinity controller applied to a high-aspect-ratio aircraft. The research focuses on developing a complete time-domain aeroservoelastic simulator and using it to synthesise and test a robust stabilisation strategy. The aircraft model used as a case study was designed to exhibit representative flexible behaviour while remaining within the linear deformation range. The time simulator is constructed from first principles and integrates structural, aerodynamic and actuator models. The structural dynamics are modelled using a finite element stick approach, and an original algorithm is developed to explicitly preserve rigid-body modes while expressing the entire system in modal coordinates. Aerodynamic loads are derived in the Laplace domain for subsonic, transonic, sonic, and supersonic regimes using two-dimensional aerodynamic theories. These loads are projected onto the modal basis and converted to the time domain through Rogers rational function approximation (RFA). A reduced basis is introduced to mitigate the numerical stiffness caused by the large number of augmented aerodynamic states. Additional contributions include the modelling of actuator lags and simplified thrust dynamics. A nonlinear state-space model is formulated and integrated using stiff numerical solvers. Trimmed flight conditions are computed, and the system is linearized around the equilibrium point to enable controller design. The aeroelastic poles evolution reveals that the flutter mechanism involves a coupling between the antisymmetric torsional mode and the roll mode. In order to stablish the feedback loop, first the optimal sensor placement problem is solved using modified observability Gramians for unstable systems, and a Luenberger observer is developed to estimate modal states from sensor data. Then, a strongly stabilising H-infinity controller is synthesised, designed to independently address the symmetric and antisymmetric subsystems. The resulting controller is implemented in the nonlinear time-domain simulator and is shown to suppress flutter effectively. The system maintains attitude controllability, testing its response through a parallel autopilot at speeds beyond the original flutter boundary, demonstrating the feasibility of active stabilisation without sacrificing control authority. In conclusion, this thesis proposes a comprehensive framework for the analysis and control of flexible aircraft, highlighting the importance of realistic physical modelling, sensor optimisation and robust controller synthesis. The formulation of the aerodynamic loads directly in the Laplace domain and the implementation of strong stabilisation methods represent key contributions to the state of the art in aeroservoelastic control. RESUMEN El uso creciente de alas de gran alargamiento en UAVs ha abierto nuevas oportunidades para misiones de larga duración y gran altitud, pero también ha introducido importantes desafíos aeroelásticos. La flexibilidad estructural inherente a estas aeronaves las hace particularmente vulnerables a inestabilidades aeroelásticas. Para abordar estos problemas, la aplicación de técnicas de supresión activa de flameo (AFS) ha despertado un interés renovado, al permitir ampliar la envuelta de vuelo y mejorar los márgenes de seguridad en aeronaves flexibles. Esta tesis presenta el modelado, simulación e implementación de un sistema AFS basado en un controlador tipo H-infinito, aplicado a una aeronave con un ala de gran alargamiento. La investigación se centra en el desarrollo de un simulador aeroservoelástico completo en el dominio del tiempo y en su utilización para sintetizar y validar una estrategia de estabilización robusta. El modelo de la aeronave empleada como caso de estudio fue diseñado para exhibir un comportamiento flexible representativo, permaneciendo dentro del rango lineal de deformación. El simulador temporal se construye desde los principios básicos e integra los modelos estructural, aerodinámico y de actuadores. La dinámica estructural se modeliza mediante elementos finitos de tipo viga, y para ello se desarrolla un algoritmo original que conserva explícitamente los modos propios de cuerpo rígido al expresar todo el sistema en coordenadas modales. Las cargas aerodinámicas se calculan en el dominio de Laplace para regímenes subsónico, transónico, sónico y supersónico, utilizando teorías aerodinámicas bidimensionales. Estas cargas se proyectan sobre la base modal y se transforman al dominio temporal mediante el uso de la aproximación por funciones racionales (RFA) de Roger. Adicionalmente, se introduce una base reducida para mitigar la rigidez numérica provocada por el gran número de estados aerodinámicos adicionales. Otras contribuciones incluyen el modelado de los retardos de los actuadores y un modelo de empuje del motor simplificado. Se formula un modelo no lineal en espacio de los estados, que se integra utilizando métodos numéricos para sistemas rígidos. Se calculan condiciones de vuelo trimadas, y se linealiza el sistema en torno al punto de equilibrio para permitir el diseño del controlador. La evolución de los polos aeroelásticos revela que el mecanismo de flameo implica un acoplamiento entre el modo de torsión antisimétrico y el modo de convergencia en balance. Para establecer el bucle de retroalimentación, primero se resuelve el problema de colocación óptima de los sensores utilizando el Gramiano de observabilidad, modificado para sistemas inestables, y se desarrolla un observador de Luenberger para estimar los estados modales a partir de los datos de los sensores. A continuación, se sintetiza un controlador H-infinito robusto, diseñado para abordar de forma independiente los subsistemas simétrico y antisimétrico. El controlador resultante se implementa junto al simulador no lineal en el dominio del tiempo, y se demuestra que suprime eficazmente el flameo. El sistema, que funciona a velocidades superiores al límite original de flameo, mantiene la controlabilidad de la actitud de la aeronave poniendo a prueba su respuesta mediante un piloto automático implementado en paralelo, demostrando la viabilidad de la estabilización activa sin sacrificar la autoridad de control. En conclusión, esta tesis propone un marco integral para el análisis y control de aeronaves flexibles, destacando la importancia del modelado físico realista, la optimización de la posición de los sensores y la síntesis de controladores robustos. La formulación de las cargas aerodinámicas directamente en el dominio de Laplace y la implementación de métodos de estabilización robusta representan contribuciones clave al estado del arte del control aeroservoelástico.