M. Krings, D. Hillig, F. Thielecke

Die Leistungsfähigkeit eines Flugzeuges wird im Allgemeinen durch aerodynamische, strukturelle sowie systemtechnische Randbedingungen begrenzt. Um sowohl die strukturelle Integrität als auch die Steuerbarkeit eines Flugzeuges durch die gesamte Flugmission hindurch gewährleisten zu können, müssen diese Betriebsgrenzen sowohl vom Piloten (im manuellen Flug) als auch vom Autopiloten (im automatisierten Flug) zu jedem Zeitpunkt berücksichtigt werden. Eine präzise, hochautomatisierte Bahnführung unter Einhaltung aller Betriebsgrenzen eines Flugzeuges ist Ziel aktueller Forschungsarbeiten am Institut für Flugzeug-Systemtechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Modellprädiktive Regelungsstrategien bieten im Vergleich zu anderen Regelungsverfahren die Möglichkeit, in der optimalen Regelung eines dynamischen Systems dessen Betriebsgrenzen explizit zu berücksichtigen. Basis eines solchen modellprädiktiven Autopiloten bildet ein lineares, zeitinvariantes Systemmodell, welches das Verhalten des Flugzeuges in einem dedizierten Arbeitspunkt abbildet. Um dieses lineare Systemmodell dem grundsätzlich nichtlinearen Systemverhalten des Flugzeuges nachführen und somit innerhalb des modellprädiktiven Autopiloten Nichtlinearitäten der Regelstrecke berücksichtigen zu können, wird eine arbeitspunktabhängige Änderung der Modell- und Regelungsparameter notwendig. Der Vortrag fasst die wesentlichen Schritte in der Entwicklung eines modellprädiktiven, arbeitspunktabhängigen Autopiloten für den unbemannten Flugversuchsträger ULTRA-Dimona zusammen. Die Entwicklung des Autopiloten lehnt sich dabei an die in [3, 4] dargelegte Vorgehensweise an. Ausgehend von der Analyse der nichtlinearen Regelstrecke erfolgt die Auslegung des modellprädiktiven Autopiloten an einem nominalen Arbeitspunkt, welcher in der späteren Bewertung als Referenz verwendet wird. Die Erweiterung des Autopiloten zu einer arbeitspunktabhängigen Regelung innerhalb der operationellen Envelope des Versuchsträgers erfolgt in einem zweiten Schritt. Anhand von virtuellen Flugversuchen wird der entwickelte modellprädiktive, arbeitspunktabhängige Autopilot gegenüber dem arbeitspunktunabhängigen System bewertet.

The performance of an aircraft is generally limited by aerodynamic, structural, and system-related constraints. To ensure both the structural integrity and controllability of an aircraft throughout the entire flight mission, these operational limits must be considered at all times by both the pilot (in manual flight) and the autopilot (in automated flight). Precise, highly automated flight control while adhering to all operational limits of an aircraft is the goal of current research at the Institute of Aircraft Systems Engineering at the Hamburg University of Technology. Model predictive control strategies, compared to other control methods, offer the possibility of explicitly considering the operational limits of a dynamic system in the optimal control process. Such a model predictive autopilot is based on a linear, time-invariant system model that represents the aircraft's behavior at a dedicated operating point. To adapt this linear system model to the fundamentally nonlinear system behavior of the aircraft and thus to account for nonlinearities of the controlled system within the model predictive autopilot, a change in the model and control parameters dependent on the operating point is necessary. This presentation summarizes the essential steps in the development of a model predictive, operating point-dependent autopilot for the unmanned flight test vehicle ULTRA-Dimona. The development of the autopilot is based on the approach described in [3, 4]. Starting with the analysis of the nonlinear controlled system, the model predictive autopilot is designed at a nominal operating point, which is used as a reference in the subsequent evaluation. The extension of the autopilot to an operating point-dependent control system within the operational envelope of the test vehicle is carried out in a second step. The developed model predictive, operating point-dependent autopilot is evaluated against the operating point-independent system using virtual flight tests.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2014, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2015061215723

Flugregelung, MPC

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12.06.2015