كنترل بهينه ارتعاشات شيمي ارابه فرود دماغه هواپيما

Optimal Control of Shimmy Oscillation in Aircraft Nose Landing Gear

در اين مقاله، ضمن تحليل ديناميك ارتعاشات شيمي (تاب خوردن) ارابه فرود دماغه هواپيما و بررسي پايداري آن، براي ميراسازي اين ارتعاشات كنترل گر بهينه فعال، براساس مدل خطي سيستم طراحي شده و بر روي مدل غيرخطي (واقعي) اعمال شده است. ارتعاشات شيمي در واقع به ارتعاشات جانبي و پيچشي چرخ گفته مي شود كه به صورت خود برانگيخته بوده و در سرعت هاي بالا باعث ناپايداري سيستم مي شوند. بنابراين در ارابه ي فرود هواپيما به دليل سرعت بالاي هواپيما در مراحل فرود و برخاست، بسيار تاثيرگذار هستند و باعث صدمه رسيدن به خود ارابه فرود، بدنه هواپيما و مسافران مي شوند. بنابراين كنترل اين ارتعاشات از اهميت بالايي برخوردار است. در اين پژوهش با استفاده از ديناميك غير خطي حاكم بر سيستم ارابه فرود دماغه هواپيما، معادلات ارتعاشات شيمي خطي سازي و سپس معادلات فضاي حالت سيستم استخراج شده است. براساس مدل خطي سيستم، پايداري، كنترل پذيري و رويت پذيري بررسي شده است، و براي كنترل (ميراسازي) بهينه اين ارتعاشات نيز از مدل كنترلي تنظيم كننده خطي درجه دوم استفاده شده است. براي تخمين حالت هايي از سيستم كه بوسيله حسگرها قابل اندازه گيري نيستند، با برقراري اصل جداسازي، رويت گر طراحي شده است. براي صحت سنجي و بررسي عملكرد كنترل گر طراحي شده، پاسخ-هاي ارتعاشي سيستم در حالت كنترل حلقه باز، با روش هاي كنترل حلقه بسته، در نرم افزار متلب شبيه سازي و با هم مقايسه شده، كه در تمام روش هاي كنترلي بهبود عملكرد در مقايسه با سيستم كنترلي حلقه باز مشاهده مي شود. در نهايت نيز كنترل ديجيتال سيستم و اثر نرخ نمونه-برداري در نزديك شدن پاسخ سيستم گسسته به سيستم پيوسته، بررسي و شبيه سازي شد.

In this paper, an optimal active controller is designed to prevent the shimmy vibrations in aircraft nose landing gear. The controller is designed according to the linearized system while the input is implemented on the real non-linear plant. Shimmy vibration is the lateral and torsional vibrations in the wheel that is self-excited and causes instability in high speed performances. This phenomenon is highly impressive since this malfunction over a long period of time can damage the landing gear of the aircraft, its fuselage and can even harm the passengers. Thus, control and suppression of this vibration is extremely important. In this paper, using the nonlinear dynamics of the nose landing gear system, the equivalent linearized system is extracted and then its related linearized state space is derived. Stability, controllability and observability of the system are investigated based on the linearized model of the system and damping the shimmy vibrations is performed with the least amount of consumed energy using Linear Quadratic Regulator (LQR). To estimate the states of the system which are not measurable using ordinary sensors, an observer is designed and implemented using separation principal. To verify the performance of the proposed controller, vibration response of the open loop system is compared with the closed loop response of the designed optimal controller. Considerable improvement can be seen in the performance of the closed loop system since not only are the vibrations effectively damped but also the consumption of energy is minimized. Finally, digital control system is extended in order to implement the proposed controller on the discretized model of the system and the effect of sampling rate on the accuracy of the system is studied.