DATA-DRIVEN MODELING AND CONTROL APPROACHES IN FLIGHT DYNAMICS - ON LINEAR AND NONLINEAR TECHNIQUES

DATA-DRIVEN MODELING AND CONTROL APPROACHES IN FLIGHT DYNAMICS - ON LINEAR AND NONLINEAR TECHNIQUES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Manaa_Zeyad_MSc_Thesis_Signed_and_Finalized.pdf
Restricted to Repository staff only until 9 January 2026.

Download (12MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الأطروحة النمذجة والتحكم المعتمدان على البيانات في الأنظمة الديناميكية المعقدة، مع التركيز على تطبيقات هندسة الطيران. مدفوعة بالقصور في المنهجيات الحالية لإدارة الديناميكيات غير الممثلة، والتقاط ديناميكيات الوضع والتوجيه في نظم الطيران، وتقليل عبء الاتصالات، تُقدم الأطروحة منهجيات مبتكرة تعتمد على نظرية كوبمان والتعرف على الديناميكيات غير الخطية شحيحة الحدود الرياضية، لتطوير معادلات حاكمة مستخلصة من البيانات، ما يتيح تطبيق استراتيجيات تحكم متقدمة. تتضمن الدراسة ثلاثة إسهامات رئيسية. أولاً، يُطرح إطار عمل يعتمد على نظرية كوبمان لتخطية الأنظمة غير الخطية بشكل عمومي، مستندًا إلى دوال لتمثيل النظام في فضاء ذو بعد أكبر من النظام الحقيقي. تلك الدوال مستوحاة من الدراسات التي اطلعنا عليها. يُمكّن هذا الإطار من تطبيق تقنيات التحكم الخطي المثلى، مع تحسين الأداء وكفاءة الحوسبة. ثانيًا، تُطوَّر استراتيجية تحكم مقترنة بوقوع حدث (وليس بشكل دوري كما في سبل التحكم الزمني المنتظم) معين بناء على نظرية كوبمان، بهدف تحسين استخدام الموارد في الأنظمة الشبكية، مع توفير ضمانات صارمة للاستقرار والمتانة. ثالثًا، يُطبَّق إطار عمل التعرف غير الكثيف للأنظمة الديناميكية غير الخطية لتحديد نماذج ديناميكية للطائرات الرباعية، ما يؤدي إلى بناء نماذج ذات تفسيرات واضحة وكفاءة حسابية عالية، تربط بين النمذجة المستندة إلى البيانات وتصميم التحكم. تُقسم الأطروحة إلى فصول تبدأ بالفصل الثاني حيث يُطبَّق إطار عمل التعرف غير الكثيف للأنظمة الديناميكية غير الخطية لتحديد المعادلات الحاكمة للطائرات رباعية المروحيات. في الفصل الثالث، يتم تقديم نظرية كوبمان ووضع الأساس النظري للتخطية الشاملة للأنظمة غير الخطية. يتعمق الفصل الرابع في تطبيق نظرية كوبمان للتحكم في الأنظمة الديناميكية. يعرض الفصل الخامس استراتيجية التحكم المتقطع المبني على الأحداث. يتم تقديم الملاحظات الختامية والاتجاهات المستقبلية في الفصل السادس.

English Abstract

This dissertation explores data-driven techniques for modeling and controlling complex dynamical systems, particularly in aerospace applications. Driven by shortcomings in current methodologies for managing unmodeled dynamics, precisely capturing attitude dynamics, and reducing communication overhead, novel approaches utilizing Koopman theory and SINDy are presented. Aiming to extract governing equations from experimental data for systems like quadrotors, the research unfolds in three interconnected thrusts. Initially, a framework for constructing Koopman lifting functions is established, drawing from diverse theoretical underpinnings to enable global linearization and facilitate optimal linear control, thus enhancing performance while preserving computational tractability. Subsequently, addressing communication constraints in networked systems, a data-driven event-triggered control strategy for Koopman models is proposed, complete with stability and robustness analysis. Finally, to bridge the divide between data-driven modeling and control design, the SINDy framework is employed for nonlinear system identification, specifically for quadcopter control, yielding interpretable and efficient dynamic representations. Organized progressively, Chapter 2 showcases the SINDy application to quadcopter identification. Chapter 3 lays the theoretical groundwork by introducing the Koopman operator and delving into global linearization via Koopman theory. Chapter 4 elaborates on the application of Koopman theory for control design. Chapter 5 presents the event-triggered control strategy. Concluding remarks and future directions are presented in Chapter 6.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Systems
Math
Aerospace
Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor: Abdallah, Ayman M.
Committee Members: Abido, M. A. and Azhar, ASS
Depositing User: ZEYAD MANAA (g202216800)
Date Deposited: 09 Jan 2025 11:46
Last Modified: 09 Jan 2025 11:46
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143244