Flight Envelope Protection System Using Recursive Least Square Scheme and Adaptive Neural Network

Abstract

With the development of flight control systems utilizing the FBW technique, a flight envelope protection technique is becoming more commonly used. In addition, flight envelope protection algorithm has been proposed to improve the safety of aircraft. Flight envelope protection systems determine the control inputs to prevent an aircraft from exceeding its structure/aerodynamic limits and maximum control surface deflections. Dynamic inversion of an approximated system which is linearized in a specific trim point has been used to limit predictions and critical control input calculations. In this dissertation, to improve several problems associated with conventional methods arising from the use of a functional form of dynamics linearized to a specific trim point, an algorithm which can be applied for wide flight envelope is proposed. To achieve this, a real-time linearization scheme is adopted. First, approximated dynamic equations of critical parameters are determined by a recursive least-square scheme in the form of a linear equation. The errors between the approximated system and real aircraft dynamics are offset by an adaptive neural network. When the critical parameter approaches the boundary of the flight envelope, the critical input which ensures that the critical parameter does not exceed the flight envelope is calculated by dynamic inversion of the approximated dynamic equation. The control input which will be applied to the aircraft is determined by the time derivative of the estimated critical parameter. Numerical simulations are conducted to verify the performance of the proposed scheme.

Fly-By-Wire 방식을 사용하는 비행제어 시스템의 발달에 따라, 항공기의 안정성을 향상시키기 위한 방안의 하나로 비행영역 보호 시스템이 사용되었다. 비행영역 보호 시스템은 항공기의 구조적/공력적 한계와 조종면 변위의 한계 등을 초과하지 않도록 하는 제어 입력을 계산해낸다. 이를 위하여 실제 시스템을 근사화하여 그 시 스템의 역연산을 수행하는 방식이 보편적으로 사용되어 왔다. 기존의 기법들은 특정 트림점에서 선형화된 모델을 사용하였기에 항공기가 트림점에서 멀어지면 비행영역 보호 시스템의 성능이 감소하는 단점이 있었다. 본 논문에서는 기존의 기법들이 가지는 단점들을 보완하여 넓은 비행영역에 대해서도 높은 정확도를 가질 수 있는 알고리듬을 제안하였다. 이를 위해서 실시간으로 시스템을 선형화하였다. 먼저, 회귀적 최소자승법을 이용하여 선형방정식 형태의 시스템 방정식을 도출하였다. 이렇게 선형화 시스템과 실제 시스템의 오차를 적응 신경회로망을 사용하여 보정함으로써 최종적인 근사 시스템의 운동방정식을 도출하였다. 비행영역보호를 수행하고자하는 주요 대상 상태변수가 비행영역의 한계값에 근접하게 되면 근사화된 시스템의 운동방정식의 역산을 통해 비행영역을 초과하지 않도록 하는 한계입력을 계산해낸다. 그리고 대상 상태변수의 추정값의 시간에 대한 미분값을 이용하여 최종적으로 어떠한 제어 입력을 적용할 것인지를 결정한다. 제안된 알고리듬의 성능을 검증하기 위하여 다양한 경우에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.