Date of Award

11-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Tariq Taha Darabseh

Abstract

Flutter is a divergent oscillation of an aeroelastic structure, and one of a family of aeroelastic instability phenomena, that results from the interaction of elastic and inertial forces of the structure with the surrounding aerodynamic forces. Airfoil Flutter is important due to its catastrophic effect on the durability and operational safety of the structure. Traditionally, flutter is prevented within an aircraft's flight envelope using passive approaches such as optimizing stiffness distribution, mass balancing, or modifying geometry during the design phase. Although these methods are effective but they led to heavier airfoil designs. On the other hand, active control methods allow for less weight and higher manoeuvring capabilities.

The main objective of this study is to investigate the potential effectiveness of using Model Predictive Control MPC as an active control strategy to suppress flutter.

Lagrange’s energy method and Theodore’s unsteady aerodynamic theory were employed to derive the equations of motion of a typical 2D wing section with a flap. Using MATLAB®, the airspeed at which the flutter occurs for a specific wing’s parameters were found to be 23.96 m/s, at a frequency of 6.12 Hz. A Linear Quadratic Gaussian compensator LQG was designed and simulated. MATLAB® was also used to design and simulate a discrete MPC using Laguerre orthonormal functions. The simulated results for states regulation and reference tracking tasks in the flutter airspeed region from both controllers were compared and discussed in terms of quantitative performance measures and performance indices.

The results showed that both LQG and MPC are powerful in suppressing the flutter in addition to their effectiveness in tracking a reference input rapidly and accurately with zero steady-state error. The superiority for the constrained MPC is manifested by results comparison. MPC were able to save more than 40% of the needed settling time for states regulation task. Furthermore, it performed the job with much less control energy indicated by the ISE and ISU indices. On top of that, the key advantage of MPC, which is the ability to perform real-time optimization with hard constraints on input variables, was confirmed.

Comments

تعرف ظاهرة الرفرف ( Flutter ) على انها اهتزاز ذواتساع متزايد مع الزمن، تتأثر به الهياكل المرنة المعرضة لقوى الديناميكا الهوائية Aerodynamic ) ) وينتج عن التفاعل ما بين ثلاث قوى هي الديناميكا الهوائية، والمرونة ( Elasti ) ، والقصور ( Inertia ) . تعد الرفرفة من أكثر ظواهرعدم الاتزان ( Instability ) خطورة في مجال دراسة الهياكل المرنة ( Aeroelasticity ) المعرضة لقوى الديناميكا الهوائية مثل الاجنحة. وذلك بسبب التأثيرات الكارثية طويلة المدى على متانتها وقابليتها للاستخدام بشكل آمن. تقليديا يتم تجنب الرفرفة عن طريق لحل صناعة هياكل اكثر متانة، او اضافة اوزان لمناطق معينة في الهيكل. ولكن هذه الطرق ورغم فاعليتها تعد طرقا غير مرغوبة لما يصاحبها من زيادة في وزن الهيكل. من ناحية اخرى تتميز طرق التحكم النشط ( Active control methods ) بخفة الوزن وزيادة قدرات المناورة.

إن الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو دراسة واختبار إمكانية استخدام التحكم الاستشرافي ( Model Predictive Control MPC ) كمتحكم نشط لتخميد الرفرفة. لغرض الدراسة تم استخدام نموذج الجناح ثنائي الابعاد مع لوح التحكم، وتم اشتقاق المعادلات الديناميكية للنظام باستخدام طريقة لاغرانج ( Lagrange’s energy method ) ، واستخدمت نظرية ثيودورسين ( Theodorsen unsteady aerodynamic theory ) لتمثيل قوى الديناميكا الهوائية. ثم باستخدام برنامج MATLAB® تمت محاكاة النظام عند سرعات مختلفة، وحساب السرعة الحرجة للرفرفة ( Flutter speed ) لجناح اختبار محدد المواصفات، والتي وجدت عند 23.96 متر/ثانية مع تردد 6.12 هيرتز. تلا ذلك، وباستخدام MATLAB® أيضا،ً تصميم ومحاكاة متحكم خطي تربيعي غاوسي LQG) ) ، ومتحكم استشرافي ( MPC ) لنفس الجناح، عند سرعات تقع ضمن نطاق الرفرفة. ولمقارنة النتائج استخدمت معايير ومؤشرات الآداء التحليلية مثل ( ISE ) و ( ISU ) و ( Settling time ).

أظهرت نتائج الدراسة ان كلا المتحكمين قادر على اخماد الرفرفة وتغير زاوية لوح التحكم الى القيمة المطلوبة بسرعة ودقة. مع تفوق ملحوظ للمتحكم الاستشرافي ( MPC )، حيث استطاع انجازالمهمة بوقت أقل بحوالي 40 %، وباستهلاك اقل بشكل ملحوظ للطاقة، يظهرمن خلال مؤشرات ( ISE ) و ( ISU ) . اضافة الى تميزه بإمكانية تحديد السرعة والزاوية القصوى لحركة لوح التحكم دون أن يؤثر ذلك على آداء النظام، وهي ميزة غير متوفرة لدى معظم المتحكمات النشطة.

Download
COinS