Sistemas de atuação hidráulicos digitais para aviões com foco em eficiência energética

Abstract

A hidráulica é uma tecnologia amplamente utilizada em sistemas móbeis, tais como aeronaves e veículos, especialmente por apresentar características como alta densidade de potência, robustez, rápida resposta dinâmica e controlabilidade. Todavia, sistemas hidráulicos também são conhecidos por apresentar baixa eficiência energética, especialmente quando comparados aos sistemas elétricos. A hidráulica digital é uma tecnologia que, segundo os resultados de pesquisas recentes, tem se mostrado uma alternativa promissora para a redução da dissipação de energia. Neste sentido, este trabalho tem como foco pesquisar soluções para sistemas hidráulicos de atuação mais eficientes para aeronaves, por meio da aplicação dos conceitos de hidráulica digital. Para este fim, foi selecionada uma concepção que prevê a substituição das válvulas proporcionais e servoválvulas por um conjunto de válvulas on/off associadas a atuadores multicâmaras e múltiplas linhas de pressão. A redução da dissipação de energia obtida pela proposta está associada à ausência de controle resistivo por orifício, redução dos vazamentos internos e configuração regenerativa. O trabalho contempla também a elaboração de técnicas de controle e de critérios de dimensionamento. As propostas de controle pesquisadas incluem a utilização de realimentação (feedback) de posição em conjunto com controlador de alimentação direta (feedforward), sendo avaliadas configurações com parâmetros fixos e adaptativos. O resultado obtido é uma nova configuração para sistemas de atuação hidráulicos para aeronaves (Atuador Hidráulico Digital (Digital Hydraulic Actuator DHA)), mais eficiente energeticamente e capaz de atender aos requisitos de seguimento de referência e rejeição de perturbação. A proposta também se mostrou uma potencial alternativa para implementação de redundâncias. A pesquisa foi conduzida tanto de forma teórica quanto experimental e realizada em parceria com a Universidade de Linköping, Suécia e a SAAB AB.

Abstract : Hydraulics is a technology widely used in mobile systems, such as aircraft and vehicles, especially because they feature characteristics of high power density, robustness and fast dynamic response. However, hydraulic systems are also known to have low energy efficiency, especially when compared to electrical systems. Digital hydraulics is a technology that, according to recent research results, is a promising alternative for a reduction of energy dissipation. In this sense, this work focuses on searching for more efficient hydraulic systems solutions for aircraft, through the application of digital hydraulics concepts. For this purpose, a concept has been selected which involves the replacement of proportional valves or servo valves by a set of on/off valves associated with the use of multichamber actuators and multiple pressure lines. The energy dissipation reduction obtained by this proposal is associated to the absence of resistive control by orifices, decrease of internal leakage and regenerative configuration. This thesis also includes an elaboration of control and sizing techniques. A feedback position control in association with feedforward strategies, has been evaluated, with fixed and adaptive parameters. The result is a new configuration for hydraulic actuation systems for aircraft (Digital Hydraulic Actuator - DHA), with more energy efficiency and able to meet the requirements of position pursuit dynamics and disturbance rejection. The proposal has also shown a potential alternative for implementation of redundancies. The research was conducted both theoretically and experimentally and carried out in partnership with the University of Linköping, Sweden and SAAB AB.