Adaptive Stabilisierungs- und modellprädiktive Trajektorienfolgeregelung für Flugsysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Florian Holzapfel; Professor Dr.-Ing. Boris Lohmann
• Fachliche Zuordnung: Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255465855

Die Regelung von Flugsystemen setzt sich zumeist aus einem inneren Stabilisierungsregler (Control) und einem äußeren Trajektorienfolgeregler (Guidance) in einer Kaskadenanordnung zusammen. Dabei sind Trajektorienplanung und -regler so ausgelegt, dass sie ihre Aufgabe erfüllen, wenn die Regelstrecke zusammen mit dem Stabilisierungsregler das bei der Auslegung zugrunde gelegte nominale Verhalten aufweist. Im Falle von Ausfällen und Schädigungssituationen ist jedoch das Verhalten der Strecke degradiert, so dass- die Streckendynamik nicht mehr dem Auslegungsmodell des Basisreglers entspricht und damit der Basisregler bei klassischer Vorgehensweise das System nur noch stabilisieren kann, wenn das Ausmaß der Schädigung im Robustheitsbereich des Basisreglers liegt- der sichere Betriebsbereich des geschädigten Systems nur noch eine unbekannte Teilmenge des für das nominale System sicheren Zustandsraumes ist - der geschlossene Regelkreis aus degradierter Streckendynamik und Basisregler ein anderes (in der Regel unbekanntes) dynamisches Verhalten zeigt als für die Auslegung der Trajektorienplanung und -regelung zugrunde gelegt wurde, so dass die vorgesehene Solltrajektorie für das System entweder gar nicht mehr erreichbar ist, oder aber der Trajektorienregler seine Aufgabe nicht mehr erfüllen kann. Im Rahmen des vorgeschlagenen Forschungsprojektes soll daher - die verbleibende Dynamik des degradierten Systems sowie dessen sicherer Betriebsbereich im Fluge identifiziert werden - die Solldynamik des inneren Regelkreises an die verbleibenden Möglichkeiten der Strecke angepasst werden- die gewünschte Solldynamik durch einen adaptiven Stabilisierungsregler tatsächlich erreicht werden - die Bahnplanung in Echtzeit und mit Konvergenzgarantie basierend auf der angepassten Solldynamik durchgeführt werden- und damit die tatsächliche Folge der Trajektorie sichergestellt werdenMethodisch ist eine wesentliche Innovation der geplanten Vorgehensweise, dass das Problem unter Verwendung physikalisch motivierter, nichtlinearer Referenzmodelle in zwei Unteraufgabenstellungen zerlegt wird - Anpassung des Referenzmodells basierend auf der identifizierten Dynamik und Herstellung des Referenzverhaltens durch einen adaptiven Stabilisierungsregler (Lehrstuhl für Flugsystemdynamik) - Trajektorienplanung und -regelung mittels nichtlinearer modellprädiktiver Regelung (NMPC) mit garantierter Machbarkeit und Zyklusdauer (Lehrstuhl für Regelungstechnik) Dabei kümmert sich der Stabilisierungsregler im Wesentlichen um die Rotations- und Lagedynamik, während sich der NMPC Ansatz mit der Translations- und Positionsdynamik befasst.Bei der Bearbeitung des Forschungsprojektes sollen luftfahrtrelevanten Randbedingungen Rechnung getragen werden. So ist der formale Nachweis der garantierten Systemleistung von großer Bedeutung. Die praktische Funktionsfähigkeit der innovativen Vorgehensweise soll anhand eines sechsrotorigen Flugsystems (Hexacopter) demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen