Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5151
Main Title: Regelungstechnische Beiträge zur Böenlastabminderung bei Flugzeugen
Subtitle: unter besonderer Berücksichtigung von geringen Flächenbelastungen und hohen Streckungen
Translated Title: Cybernetic contributions to gust load alleviation regarding air
Translated Subtitle: in consideration of low wing loadings and high aspect ratios
Author(s): Hoffmann, Arndt
Advisor(s): Luckner, Robert
Hahn, Klaus-Uwe
Referee(s): Manzey, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur aktiven Böenlastabminderung bei Flugzeugen mit geringer Flächenbelastung und hoher Streckung, im Frequenzbereich der Anstellwinkelschwingung, zu leisten. Hierzu werden der Einfluss der Streckung und der Flächenbelastung auf die Stördynamik untersucht sowie ein neuartiger regelungstechnischer Ansatz zur Abminderung der Wirkung von Turbulenz entwickelt. Dies geschieht am Referenzflugzeug STEMME S15. Der neuartige regelungstechnische Ansatz zur Abminderung stochastischer Störgrößen hat folgende wünschenswerte Attribute: • er ist physikalisch interpretierbar, • er hat eine überschaubare Ordnung, • er kann intuitiv angewendet werden und • das Führungsverhalten kann getrennt von der Störunterdrückung vorgegeben werden. Für den Reglerentwurf sind genaue Kenntnisse der Regelstrecke sowie ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Flugzeug und Böenlastabminderungssystem unabdingbare Voraussetzungen. Deshalb werden zuerst die Einflüsse der Streckung und der geringen Flächenbelastung auf den ungeregelten und geregelten Flug in gestörter Atmosphäre analysiert. Anhand einfacher Modelle, die die beiden Möglichkeiten der Böenlastabminderung, Störgrößenaufschaltung („feed forward“ = Steuerung) und Erweiterung der Dämpferfunktion („feedback“ = Regelung) z.B. durch Rückführung des Lastvielfachen auf die Wölbklappen, wird die zu erwartende Regelgüte unter realistischen Gesichtspunkten abgeschätzt. Diese Abschätzung erfolgt wie beim ungeregelten Fall anhand der Anfangsbeschleunigungen, für die vereinfachte Hubbewegung des Flugzeugs und für den Mehrgrößenfall der vereinfachten Hub-/Nickbewegung unter Einbindung der Stellausschläge von Höhenruder und Wölbklappen. Im Anschluss an diese Vorbetrachtungen zum geregelten Flug in gestörter Atmosphäre wird die Dämpferfunktion des bestehenden Basisreglers des Referenzflugzeuges erweitert und im Hinblick auf eine gesteigerte Störgrößenunterdrückung neu ausgelegt. Anschließend erfolgt die Beschreibung und Auslegung der einzelnen Systemkomponenten, die für eine Störgrößenkompensation benötigt werden. Die Beurteilung der Regelgüte der erweiterten Dämpferfunktion und der Störgrößenkompensation erfolgt durch Simulationen und durch Flugversuche. Der Nachteil der Erweiterung der Dämpferfunktion ist die Beeinflussung der Dynamik des Flugzeuges und das verhältnismäßig geringe Potential zur Störunterdrückung. Darüber hinaus ist es wünschenswert das Führungsverhalten und die Störunterdrückung getrennt voneinander vorzugeben. Als Nachteil der Störgrößenkompensation ist der hohe systemtechnische Aufwand zu sehen, der sich in erhöhten Kosten durch zusätzliche Messsonden, Nasenmasten oder LIDAR-Sensoren niederschlägt. Um diesen zusätzlichen Aufwand bei einer Steuerung zu umgehen, aber eine deutliche Verbesserung der Störunterdrückung zu erreichen, bietet sich die Möglichkeit regelungstechnische Verfahren (z.B. die µ-Synthese, Hinf - loop-shaping, Hinf - mixed-sensitivity, H2 - Synthese, H2 /Hinf – Synthese) anzuwenden. Diese Verfahren sind meist wenig intuitive Black-Box-Verfahren für die vorliegende Anforderungen und Bewertungskriterien erst verfahrenskonform übersetzt werden müssen. Sie führen zu Reglern hoher Ordnung und sind physikalisch nicht zu interpretieren. Daher bildet der Abschluß dieser Arbeit eine Adaption des „Disturbance Accommodation Control “ Verfahrens auf stochastische Störungen (Turbulenz), das die oben genannten Nachteile moderner regelungstechnischer Verfahren aufhebt. Die Regelgüte für diese Methode wird hauptsächlich anhand von Simulationen linearer Modelle beurteilt.
The scientific objective of this thesis is to achieve a contribution for active gust load alleviation for aircraft with high aspect ratios and low wing loadings in the short period frequency domain. To achieve this, the influence of the aspect ratio and the wing loading on the disturbance dynamics of the aircraft is analyzed and a new control approach which reduces the effect of turbulence is explained. This is done for the reference aircraft, the STEMME S15. The novel control approach for the reduction of stochastic disturbances meets the following desirable attributes: • it is physical interpretable, • it is of relative low order, • it can be applied intuitively and, • the reference tracking and the disturbance suppression can be designed independently. For controller design, detailed knowledge of the aircraft (plant) dynamics and a deep understanding of the influence between aircraft and gust load alleviation system are essential. Therefore, the influences of the aspect ratio and the wing loading on the controlled as well as on the uncontrolled aircraft in disturbed atmosphere are analyzed. The two different approaches for gust load alleviation, disturbance feed forward control and expansion of the damper function (i.e. through feedback of the load factor to the flaps) are described using simple dynamic models and the expected control performance is evaluated under realistic conditions. This estimation is carried out for the initial accelerations, for the heave motion of the aircraft and is extended finally to the multivariable case, the simplified heave / pitch motion involving deflections of elevator and trailing edge flaps. Subsequently, the damping function of the existing pitch basic controller of the reference aeroplane is expanded, and newly designed under the purpose of increasing the disturbance rejection. This part is completed by the description of the individual system components that are required for disturbance feed forward control. The assessment of the control performance of the extended damper function and the disturbance feed forward controller is performed by simulations and flight tests. The disadvantage of the extension of the damper function is the influence on the dynamics of the aircraft, and the relatively low potential for disturbance suppression. A disadvantage of the disturbance feed forward approach is the high effort for the additional technical devices (probes, nose booms or LIDAR devices) reflected in higher cost. To avoid this, but to achieve a significant improvement in the disturbance suppression, modern control methods (e.g. the µ-Syntheses, Hinf - loop-shaping, Hinf - mixed-sensitivity, H2 - Synthese, H2 /Hinf – Synthese) can be applied. These cybernetic methods are usually not very intuitive, and lead to high order controllers that cannot be interpreted physically. Furthermore, it is favorable to design the reference tracking and the disturbance suppression independently. Therefore an adaptation of the "Disturbance Accommodation Control" method to stochastic disturbances (turbulence) that removes the above mentioned disadvantages of modern control methods is shown. The assessment of the quality of control is conducted through simulations, primarily using linear models.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5483
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5151
Exam Date: 29-May-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 27-May-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Kalman-Filter
Böenlastabminderung
Störgrößenbeobachter
Turbulenz
gust load alleviation
disturbance-observer
turbulence
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
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