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Vibraciones y Aeroelasticidad Dpto. de Vehículos Aeroespaciales P. García-Fogeda Núñez & F. Arévalo Lozano ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 12 Aeroservoelasticity

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Vibraciones y Aeroelasticidad

Dpto. de Vehículos Aeroespaciales

P. García-Fogeda Núñez & F. Arévalo Lozano

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

12 – Aeroservoelasticity

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BUFFET WHERE WE ARE IN THE COLLAR’S DIAGRAM ?

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BLOCK DIAGRAM OF A TYPICAL AEROSERVOELASTIC SYSTEM

ACTUATOR

AIRCRAFT

AEROELASTIC

MODEL (FLIGHT DYNAMICS + FLEXIBLE MODES)

SENSORS

FLIGHT

CONTROL

LAWS

Disturbance inputs

(gust/turbulence, external loads, etc.)

- +

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CONCEPT OF “PLANT”, “FLIGHT CONTROL SYSTEM”, AND “VEHICLE”

IN = demanded control surfaces (CS) rotations (pilot inputs)

IN IN = commanded CS rotations

OUT IN = sensors’ inputs (displacements, velocities, and accelerations at structural points)

OUT OUT = flight control laws (FCLs) outputs

ACTUATOR

AIRCRAFT

AEROELASTIC

MODEL

SENSORS

FLIGHT

CONTROL

LAWS

PLANT

FLIGHT CONTROL SYSTEM

VEHICLE

IN IN

IN

OUT

OUT

OUT

Disturbance inputs

(gust/turbulence, external loads, etc.)

IN

- +

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PLANT EQUATIONS IN STATE-SPACE FORMAT

ACTUATOR

AIRCRAFT

AEROELASTIC

MODEL

01

2

2

3

0

ac asasas

a

u

δ

acacacacac uBxA

dt

dx

δs

δs

δ

x2

ac

pp

ac

ae

aeaeaep

ppppac

acac

ae

ac

aeae

ac

aep

xCx

xDCyy

uBxAuB

0

x

x

A0

BA

x

x

dt

d

dt

dx

acuacx aeu aey

ξs

ξxae

acaeaeaeae

acaeaeaeae

xDxCy

xBxAdt

dx

pupy

PLANT

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SIMPLIFIED BLOCK DIAGRAM

ACTUATOR

AIRCRAFT

AEROELASTIC

MODEL (FLIGHT DYNAMICS + FLEXIBLE MODES)

SENSORS

FLIGHT

CONTROL

LAWS

Disturbance inputs

(gust/turbulence, external loads, etc.)

- +

Previous block diagram is simplified by the following scheme:

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OPEN-LOOP vs. CLOSE-LOOP

Open loop system:

The input-demand is used as input-command, which in turn does not depend of the output

Close loop system:

The input-demand is compared with the output (response) and its difference is used as

input-command to the system.

Y(s)

Y(s)

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TRANSFER FUNCTION

Y(s)

Y(s)

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TRANSFER FUNCTION

Y(s)

Y(s)

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Stability criteria: root-locus method of Evans

s=pi are the “poles” and s=zi are the “zeros” of the transfer

function

The ”complex conjugate root” theorem states that if P(s) is

a polynomial in one variable with real coefficients, and a + bi is

a root of P(s) with a and b real numbers, then its complex

conjugate a − bi is also a root of P(s). Then, the “poles” are real

or complex values that are written as:

The time-domain response is therefore written as (1):

The system is unstable if the real part of one of the poles is

positive. The graph of all possible poles with respect to some

particular variable (whether system gain or some other

parameter) is called the “root locus”, and the design technique

based on this graph is called the root-locus method of Evans

(1948) (2)

ωiζωωiζωζ1ωiζωωiσ d

2

φtωsineA tζω

(1) Sistemas realimentados de control, D’’azzo-Houpis, Ed. Paraninfo, 1992.

(2) Feedback control of dynamic systems, G.F. Franklin, J.D. Powell, and A. Emami-

Naeini, Addison-Wesley Publishing Company, 1994

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Stability criteria: the Nyquist plot

For most systems, a simple relationship exists between closed-

loop stability and the open-loop frequency response, i.e.,

All points at the intersection of the root locus with the imaginary

axis (neutral stability) have the property

The stability condition based on the open-loop frequency

response is:

at

Gain margin

The system is unstable if the real part of one of the poles is

positive. The graph of all possible poles with respect to some

particular variable (whether system gain or some other

parameter) is called the “root locus”, and the design technique

based on this graph is called the root-locus method of Evans

(1948) (2)

ωiHωiGωiF

1ωiHωiGωiF o180ωiHωiGωiF

1ωiHωiGωiF o180ωiHωiGωiF

1ωiHωiGωiFlog20Glog20ωiHωiGωiFGlog20 10M10M10

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Gain margin and phase margin in Bode and Nyquist plots

Gain margin

Phase margin: phase when

1ωiHωiGωiFlog20Glog20ωiHωiGωiFGlog20 10M10M10

1ωiHωiGωiF

ωiHωiGωiF

ωiHωiGωiF

ωiHωiGωiF

ωiHωiGωiF

ωFrequency

ωFrequency

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Example: 2D airfoil

EA

(t)

c

h(t)

x

z

U

Kh

K

h(t=0)

c(t=0)

1c/2

2c/2

3c/2

c/2 c/2

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Proportional-derivative feedback system

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Proportional-derivative feedback system

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“Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio”

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