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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMN
CONTROL ACTIVO DE FALLAS EN
AERONAVES UTILIZANDO MTODOS
ADAPTABLES
PROTOCOLO DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE
INGENIERO EN AERONUTICA
P R E S E N T A:
CARLOS GMEZ GONZLEZ
DIRECTORES DE TESIS:
DR. JORGE A. DVILA MONTOYA
DR. FRANCISCO J. BEJARANO RODRGUEZ
Gustavo A. Madero, Ciudad de Mxico, a 21 de Abril del 2015
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ANTECEDENTES DEL TEMA
Con el transcurrir del tiempo, los sistemas de control se han
vuelta de una gran importancia
para la industria tecnolgica moderna. Utilizados para el control
de reactores qumicos,
destilacin de columnas, plantas de energa nuclear y por
supuesto, en la industria
aeronutica y aeroespacial. Los sistemas de control se encuentran
sometidos a un trabajo
constante, permitiendo de esta manera, facilitar la vida laboral
de los distintos sectores
productivos, as como aumentando su eficiencia. Hasta el momento
en que el sistema falla.
La definicin de falla puede ser tomada como: Una inapropiada
desviacin de al menos
una propiedad caracterstica o parmetro del sistema que proviene
de una condicin
aceptable/usual/estndar.1
Estas fallas pueden ocurrir en distintos puntos del sistema de
control, segn la literatura,
estos eventos se clasifican segn su ocurrencia.
Fallas de Actuador: Representan una prdida parcial de las
acciones de control. Como
podra ser el hecho de que un actuador resulte en forma de stock,
generando una ausencia
de controlabilidad pese a la entrada aplicada. Aunque las
propiedades en planta no lucen
afectadas, la influencia del controlador en la planta es
interrumpida o modificada.
Fallas de Sensor: Llegan a suceder cuando existen lecturas
incorrectas de los sensores con
los cuales el sistema est equipado. Nuevamente las propiedades
de la planta no se ven
afectadas, sin embargo, la informacin producida por estas fallas
provocan incertidumbre
con respecto de los valores fsicos que estn midiendo.
Fallas de Planta: Ocurren en los componentes en la planta misma,
toda falla que no pueda
categorizarse como de sensor o de actuador, ser referida a
fallas de planta. Son
ocasionadas debido a cambios fsicos en los parmetros del
sistema, derivando en una
modificacin del comportamiento dinmico del sistema de
control.
Las fallas de actuador ocurren, como el resultado de un
rompimiento, corte o incendio de
los cables, cortos circuitos, o la presencia de algn cuerpo
extrao dentro del actuador.
Estos problemas pueden terminan en derrames neumticos o
hidrulicos, aumento de la
resistencia o en una cada en la alimentacin elctrica, entre
otros ms. Debido a que la
duplicacin de actuadores en el sistema para aumentar su
confiabilidad no es una opcin
Fig.1. Fallas de actuador, fallas de planta y fallas de
sensores
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por el excesivo aumento en costes, volumen y peso, entonces, es
recomendable que el
sistema de control permita una cierta tolerancia a fallas que
ayude al sistema a terminar su
operacin de la manera ms ptima posible hasta que pueda ser
reparado.
Estas fallas han sido atacadas mediante la implementacin de un
sistema tolerante a fallas,
el cual es un sistema controlado que an puede mantenerse en
funcionamiento pese a la
ocurrencia de alguna falla -o al menos por un tiempo-, en cierto
grado, hasta que los
componentes causantes de la falla puedan ser corregidos.
Para esto, es necesario dos pasos conceptuales, el primero,
diagnstico de la falla, el cual
consiste en detectar, aislar e identificar las fallas ocurridas
durante el ciclo de operacin. La
segunda, ajuste del controlador, quien es el encargado de
atenuar los efectos de las fallas
mediante el ajuste del ciclo de operacin.
Su clasificacin se divide en control tolerante a fallas pasivo y
activo. Si el ciclo se
mantiene operacional pese a las fallas sin modificar el
controlador, entonces, se trata de un
CTF pasivo, en caso contrario, si el controlador se modifica a
partir del tiempo de deteccin
de la falla, ajustando sus parmetros o hasta su estructura,
entonces el CTF llevar el
nombre de activo.
Adems de lo ya mencionado, los conocimientos de control terico
necesarios a tomar en
cuenta son los anlisis de sistemas de control en espacio de
estado, adems de los
conceptos de controlabilidad y observabilidad
respectivamente.
Un sistema moderno de alta complejidad, tiene una gran cantidad
de entradas y salidas, lo
cual vuelve este tipo de sistemas complicados e
interrelacionados. Para analizar estos
sistemas, es de suma importancia el reducir la complejidad de
las expresiones matemticas.
As, el anlisis del sistema en espacio de estado, es la mejor
forma para resolver estos
problemas, debido a que se basa en la descripcin del sistema de
ecuaciones en trminos de
n ecuaciones diferenciales de primer orden, el cual puede ser
combinado dentro de una
ecuacin diferencial vector-matriz. El uso de este vector-matriz
simplifica demasiado la
representacin matemtica del sistema de ecuaciones.
Con respecto a la controlabilidad y observabilidad. Un sistema
se dice controlable en un
tiempo to si es posible que a travs de un vector control sin
restricciones pueda transferir el
sistema de cualquier estado inicial x(to) a cualquier otro
estado en un intervalo finito de
tiempo.
Por otro lado, un sistema se dice ser observable en un tiempo to
si, con el sistema en el
estado x(to), es posible el determinar este estado a travs de la
observacin de la salida
sobre un intervalo de tiempo finito.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las fallas son un evento que raramente ocurre en el sector
aeronutico-aeroespacial, su
aparicin es realmente inesperada, por lo cual, es difcil el
prevenirlas en tiempo y forma.
Adems, el impacto de una falla puede ir desde una pequea
reduccin en la eficiencia de
la produccin hasta una falla absoluta en todo el sistema. Cuando
se trata de sistemas de
control que poseen una caracterstica de seguridad crtica, es
entonces que estas fallas
desembocan en eventos de proporciones catastrficas, las cuales
no solamente daan
econmicamente a la industria sino que hasta puede llegar a
provocar un sesgo significativo
en la vida humana. Un par de ejemplos son:
- El atasco del timn de profundidad del vuelo 85 de CHINA
AIRLINES, una
aeronave Boeing 747-SP a punto de impactar contra la pista de
aterrizaje en Febrero
del 1985. En el incidente 260 pasajeros y 14 tripulantes
estuvieron cerca de perder
la vida.2
- El choque del vuelo 191 de AMERICAN AIRLINES, una aeronave
McDonnell-
Douglas DC-10, en el Aeropuerto Internacional de Chicago OHare
el 25 de Mayo
de 1979. En este incidente 271 personas a bordo y 2 transentes
en tierra fueron
asesinados cuando el avin se impact en un campo abierto.3
- El impacto del vuelo 585 de UNITED AIRLINES contra tierra en
el Parque
Widefield debido a una perdida en el control de la aeronave
Boeing 737-200;
causado por un mal movimiento en la superficie del timn. Debido
a este accidente,
2 miembros de la tripulacin, 3 asistentes de vuelo, y 20
pasajeros resultaron con
heridas fatales.4
Aunque en la mayor parte de estas situaciones la razn de que
ocurriesen las fallas no poda
ser prevenida, es revelado gracias a anlisis subsecuentes que
las consecuencias de las
fallas pudieron ser evitadas o, en el peor de los casos, la
severidad de sus resultados,
minimizados como fue el caso del vuelo 585-. De esta forma se
plantea que si la falla
puede ser detectada dentro de un determinado rango de tiempo
aceptable, entonces, el
sistema de control puede ser reconfigurado a un modo de operacin
seguro que dure hasta
que el sistema puede ser desconectado y reparado. As, para
evitar catstrofes como las
anteriormente mencionadas, aquellos sistemas que tengan la
caracterstica de necesitar
seguridad crtica, deben aumentar lo mximo posible su
fiabilidad.
En el caso del vuelo 191, fue comprobado con posterioridad que
pudo haber sido evitado.
Durante el vuelo 585, el timn estaba parcialmente deflactado en
una direccin opuesta a la
que los pilotos ordenaban, esto debido a un atasco en la vlvula
del servomecanismo en la
unidad de control de potencia del timn principal. He aqu la
necesidad del diseo y estudio
constante de un sistema de control activo de fallas para poder
aumentar la fiabilidad,
seguridad y confianza dentro de las aeronaves.
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JUSTIFICACIN
Dado el aumento en la demanda que ha sufrido el sector
aeronutico en los ltimos aos,
los sistemas de control en las aeronaves deben de tener la
capacidad de sustentar su
confiabilidad con respecto a la tolerancia en las fallas, por lo
que, un anlisis enfocado en
este campo es de suma importancia.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
Objetivo general: La investigacin a realizar en este tema de
tesis busca el poder generar
una reconfiguracin del sistema de control despus de que una
falla en los actuadores de las
superficies de sustentadoras se haya generado, tal que, el
sistema pueda evitar una
catstrofe area -como las antes mencionadas- y se le permita a la
aeronave aterrizar en las
condiciones ms ptimas posibles.
Objetivo especfico: Se realizar un modelo matemtico sustentado
en los conceptos
tericos de espacios de estado, controlabilidad, observabilidad,
control tolerante y modelos
de fallas para su posterior implementacin en el diseo de un
algoritmo de control para el
caso de estudio de la aeronave de giro comercial Boeing 747.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES (ABRIL-MAYO)
Cronograma de actividades Abril-Mayo
Actividad Abril Mayo
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6
Seleccin del tema con los asesores
Elaboracin del Protocolo de Tesis
Discusin de Avances con los asesores
Estudio de acervo cientfico sobre espacios de
estado, controlabilidad y observabilidad
Anexo del soporte terico y matemtico a la
Tesis
Discusin de Avances con los asesores
Fig.2. Cronograma pormenorizado de las actividades inmediatas a
realizar
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BIBLIOGRAFA Y FUENTES DE INFORMACIN
1. Isermann, R., Balle, P.: Trends in the application of
model-based fault detection and diagnosis of technical processes.
Control Engineering Practice 5(5), 709719 (1997).
2. NTSB/AAR-86/03: China Airlines Boeing 747-SP, N4522V 300
Nautical Miles
Northwest of San Francisco, California February 19, 1985.
3. Patton, R.: Fault tolerant control: the 1997 situation. In:
Proceedings of the 3rd
Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety for
Technical Processes
(SAFEPROCESS 1997), pp. 10331054. Hull University, Hull
(1997)
4.
http://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Pages/AAR0101.aspx
5. Michael Verhaegen, Stoyan Kanev, Redouane Hallouzi, Colin
Jones, Jan
Maciejowski, & Hadif Smail.: Fault Tolerant Flight Control -
A Survey, Chapter 2.
6. Katsuhiko Ogata: Modern Control Engineering, Fifth Edition.
Ed. Prentice Hall,
Chapter 9.
7. M. Blanke, M. Kinnaert, J Lunze & M. Staroswiecki:
Diagnosis and Fault-Tolerant
Control, Second Edition. Ed. Springer, Chapter 1.
VISTO BUENO DE LOS DIRECTORES DE TESIS
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Dr. Jorge A. Dvila Montoya Dr. Francisco J. Bejarano
Rodrguez
FIRMA DEL ASPIRANTE
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C. Carlos Gmez Gonzlez
