Robuste, fehlertolerante Basisregelung schwebeflugfähiger Flugzeuge

• Robust, fault-tolerant control of aircraft with hovering capability

Binz, Fabian; Moormann, Dieter (Thesis advisor); Alles, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Schwebeflugfähige Flugzeuge unterscheiden sich maßgeblich von konventionellen Flugzeugen durch ihren großen Bereich möglicher Fluggeschwindigkeiten. Dieser Bereich reicht vom schubgetragenen Schwebeflug bis hin zum auftriebsgetragenen Flächenflug. Damit einher geht eine stark veränderliche, in weiten Teilen nichtlineare Aerodynamik, deren Modellierung großen Aufwand erfordert, sei es durch Analysen anhand von numerischer Strömungsmechanik, Untersuchungen im Windkanal oder Experimenten in Freiflugversuchen. Darüber hinaus entsteht im Transitionsbereich zwischen Schwebe- und Flächenflug häufig eine Überaktuierung, bei der sowohl die Schwebe- als auch die Flächenflugaktuatorik eine signifikante Wirksamkeit hat. Dies führt unmittelbar zur Fragestellung der Verteilung der benötigten Kräfte und Momente auf die verfügbaren Aktuatoren. Mit der Überaktuierung geht zudem eine Redundanz der Aktuatoren einher, die prinzipiell eine Toleranz gegenüber Aktuatorausfall ermöglicht. Die durch Aerodynamik, Überaktuierung und Toleranz gegenüber Aktuatorausfall entstehende Komplexität spiegelt sich oft im Regelungssystem wider und macht die Regelung dieser Fluggeräte anspruchsvoll. Mit dem Ziel den Aufwand zu minimieren, der für die Umsetzung der Basisregelung benötigt wird, stellt diese Arbeit ein Regelungskonzept vor, das auf dem Prinzip der inkrementellen nichtlinearen dynamischen Inversion (INDI) basiert. Während die klassische nichtlineare dynamische Inversion (NDI) ein aerodynamisches Modell benötigt, wird diese Abhängigkeit durch die inkrementelle Form der NDI größtenteils beseitigt. Lediglich ein Modell der Stellgrößenwirksamkeit wird für INDI verwendet. Zur flexiblen Übertragbarkeit auf unterschiedliche Fluggeräte basiert dieses Modell auf einfachen geometrischen Betrachtungen und analytischen Zusammenhängen. Ergebnisse aus Theorie und Praxis zeigen, dass bereits eine solch vergleichsweise einfache Modellierung der Stellgrößenwirksamkeit zu einer ausreichenden Regelgüte führt. Zudem ermöglicht das hier vorgestellte Konzept einen systematischen Umgang mit Über- und Unteraktuierung und trägt somit maßgeblich zur Toleranz gegenüber Aktuatorausfall bei. Dieses Regelungskonzept wird beispielhaft für ein Kippflügelfluggerät implementiert. Zur Validierung werden sowohl Simulationsstudien als auch Freiflugversuche durchgeführt. Anhand ausgewählter Fehlerfälle im Flugversuch wird die Toleranz gegenüber Aktuatorausfall sowie die Robustheit gegenüber Modellierungsfehlern bestätigt.