Optimal Control for Minimum Thrust Demand in Extended Formation Flight

Van Wyk, F. G. (2016-03)

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2016.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The research drive behind this formation fight thesis is to increase the flight efficiency of commercial aircrafts. Previous research has shown that formation fight holds significant fuel savings for the follower aircraft. Due to the longevity of the wingtip vortices, fuel savings at extended formations (more than ten wingspans in longitudinal separation) are plausible, making formation fight viable for commercial use. In formation flight, the forces and moments acting on the follower aircraft are directly related to the position of the follower relative to the leader's displaced wingtip vortices. The upwash created by the leader's vortices produces an additional lift benefit on the follower in the outer wake. As a result, the follower lowers its angle of attack and reduces the aircraft's induced drag, creating a more efficient flight condition. However, this non-uniform upwash also produces a large rolling moment on the follower aircraft. In this thesis, two commercial aircraft models were implemented in simulation: a leader in isolated flight, and a follower with the wake interaction aerodynamics of the leader aircraft. A second-order engine model with non-linearities was included to increase the aircraft model fidelity. For the isolated aircraft, airspeed, altitude and cross-track controllers were developed. By remapping and augmenting these conventional aircraft controls, follower station keeping was achieved. However, flying deep in the wake induced large rolling moments on the follower, which required high aileron settings. A complementary filter system was designed to reduce aileron demand by inducing sideslip on the follower to counter the wake-induced rolling moment. This filter system modified the aileron control signal to pass high-frequency information to the ailerons and low-frequency commands to other control surfaces. This method proved successful, as a small rudder or differential thrust setting could be applied to induce sideslip of less than 1:5˚, and reduce aileron trim while effectively regulating formation-hold. The complementary filter system enabled the follower aircraft to stably fly deep in the wake and achieve more efficient flight conditions. However, flying at the optimum separation is challenging, as the wingtip vortex location will be unknown in a real world application. Measuring the wingtip vortex location also comes with additional complexities and thus a controller dedicated to minimizing thrust demand was developed. By applying small circular perturbations to the follower aircraft's lateral and vertical formation-hold controllers, the aircraft was exposed to the gradients of the wake. This controller decreased thrust by minimizing the follower's pitch angle through integral control of the gradient information. By optimizing the lateral and vertical separation, the follower converged to the most efficient separation and effective extremum-seeking control was achieved in light turbulence. In moderate turbulence, the perturbation signal observable in the optimization objective disappeared in the turbulence noise, and extremum seeking was unsuccessful for higher levels of turbulence. A mean thrust reduction of 26% was obtained on the follower aircraft at one wingspan lateral and zero vertical separation in light turbulence. This saving translates to a 24% decrease in fuel flow, confirming the economic significance of formation flight.

AFRIKAANSE OPSMMING: Vorige navorsing toon dat formasievlug 'n beduidende bydrae kan lewer tot brandstofbesparing vir 'n volgervliegtuig. Die verlengde leeftyd van 'n vliegtuig se nasleurvortekse maak dit moontlik om by meer as tien vlerkspanne se longitudinale skeidingsafstand steeds hoe vlakke van brandstofbesparing te bereik. Die avorsingsdryfkrag agter hierdie formasievlugprojek is hoofsaaklik daarop gerig om meer effektiewe vlug vir kommersiele vliegtuie voor te stel. In formasievlug is die kragte en momente wat op die volgervliegtuig inwerk direk gekoppel aan die volger se posisie ten opsigte van die voorste vliegtuig se verplaaste nasleurvortekse. Die opwaartse lugvloei wat geskep word deur die voorste vliegtuig se nasleurvortekse skep 'n addisionele opwaartse krag op die volger. As gevolg van hierdie ekstra krag kan die volger sy aanvalshoek verminder, wat dus 'n afname in geinduseerde weerstand skep. In formasie verminder die weerstand, en 'n meer ekonomiese vlugkondisie kan behaal word. Ongelukkig veroorsaak hierdie nie-uniforme lugstroom ook 'n sterk rolmoment op die volgervliegtuig. In hierdie tesis is twee kommersiele vliegtuigmodelle geimplementeer: die voorste vliegtuig in geisoleerde vlug, en die volger in die nastroom van die voorste vliegtuig. 'n Tweede-order enjinmodel is ook ontwikkel om by te dra tot 'n meer verteenwoordigende vliegtuigmodel. Om die vliegtuig in geisoleerde toestande te evalueer, is konvensionele lugspoed, hoogte en lateraleafstandbeheerders ontwerp en gesimuleer. Deur bloot hierdie konvensionele beheerders minimaal aan te pas kon formasiehoubeheer effektief toegepas word. Hoe dieper die volgervliegtuig egter in die nasleur van die voorste vliegtuig inbeweeg, hoe groter word die rolmoment wat op die volger geinduseer word, tot dit die rolroer-beheeroppervlakte versadig. Om hierdie versadigingsprobleem aan te spreek is 'n komplement^ere filtersisteem ontwikkel wat die rolroer-beheersein filter om hoefrekwensie-informasie na die rolroer te voer en laefrekwensieinformasie aan die roerbeheer te stuur. Dit induseer 'n syglip op die volgervliegtuig, wat 'n teenrolmoment veroorsaak. Hierdie metode was suksesvol omdat lae roer of differensiele enjinkrag 'n klein glyhoek kon induseer, wat drasties die vlak van rolroer-beheer verminder het. Die komplement^ere filterstelsel stel die volgervliegtuig in staat om stabiel diep in die nasleur van die voorste vliegtuig te vlieg, tot by die posisie waar die minimum stukrag benodig word. Om die volgervliegtuig by hierdie optimale posisie te laat vlieg, skep addisionele komplikasies omdat die presiese posisie van die nasleurvortekse nie maklik gemeet kan word nie. Dus is 'n beheerder ontwikkel wat toegewy is aan die minimering van die volgervliegtuig se enjinstukragverbruik. 'n Aanpasbare, nie-line^ere terugvoerbeheerder is geimplementeer om die volgervliegtuig na die optimale posisie in die nasleur te stuur. Deur klein sirkelvormige beheerseine aan die volger se laterale en vertikale formasiehoubeheerders te voer, kon die volger in die nasleur rondbeweeg word op 'n wyse wat die gradient-informasie van die nasleur ontgin. Hierdie gradient-informasie is gemeet deur die volger se verandering in aanvalshoek te evalueer. Die informasie is geintegreer om die volgende skatting vir die optimale posisie aan die vertikale en laterale formasiehoubeheerders te verskaf. Hierdie minimum-soekbeheerder kon suksesvol die minimum enjinstukrag-posisie in die nasleur opspoor en volg in ligte turbulensie. In matige turbulensie kon hierdie soekbeheerder nie funksioneer nie omdat die perturbasie sein verdwyn in die reis vanaf die ho e vlakke van atmosferiese steurings. 'n Gemiddelde enjinstukrag besparing van 26% was bereik deur die volgervliegtuig by die optimale posisie in die nasleur te laat vlieg (een vlerkspan in laterale verplasing en nul in vertikale verplasing). Hierdie enginekrag besparing verteenwoordig 'n 24% besparing in brandstof vloei deur die volgervliegtuig. Hierdie eerste skatting tot die brandstof besparing van formasievlug bevestig die ekonomiese potensiaal wat formasie vlug kan bied.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/98519
This item appears in the following collections: