Regelungstechnische Modellierung des Bewegungsverhaltens von Bodeneffektfahrzeugen für deren sicheren und effizienten Betrieb
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war es, Grundlagen für einen sicheren und effizienten Betrieb von Bodeneffektfahrzeugen zu schaffen. Einen Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Erzeugung von dynamischen Modellen. Auf Basis dieser Modelle wurden Konzepte zur Simulation, Steuerung, Beobachtung und Regelung entwickelt. Da die angewandten Verfahren unterschiedliche Modellanforderungen stellen, wurden unterschiedliche Modellstrukturen entwickelt und durch Flüge mit einem skalierten Versuchsfahrzeug messtechnisch validiert. Um zur Verifikation der Modelle einen ungestörten Flug erreichen zu können, wurde in einer Industriehalle Flüge auf einer Kreisbahn durchgeführt. Aus der Analyse des simulierten Fahrzeugverhaltens wurden sicherheitstechnisch kritischen Störszenarien ausgemacht, welche im Wesentlichen durch Windböen mit Richtungskomponenten von hinten und oben gekennzeichnet sind. Für diese Szenarien wurden Handlungsstrategien entwickelt. Die regelungstechnischen Eigenschaften eines typischen Bodeneffektfahrzeugs wurden anhand verschiedener Modelle analysiert, um die Anforderungen an eine Regelung zu definieren. Von Bedeutung ist eine starke Stellgrößenbegrenzung und der stark nichtlineare Einfluss des Bodeneffektes. Eine Linearisierung für die Längsbewegung ergab ein stark verkoppeltes Mehrgrößensystem mit fünf Zuständen, drei Eingängen und mindestens zwei Ausgängen. Der Prozess besitzt typischerweise mehrere komplexe Pole und komplexe Nullstellen, welche zu dem stark schwingenden und wenig gedämpften Verhalten führen. Einzelne Elemente der Übertragungsmatrix haben eine Nullstelle in der rechten Halbebene und erklären damit das nichtminimalphasige Verhalten. Zur Verbesserung der Sicherheit wurden verschiedene Regelungskonzepte simulativ untersucht. Dies ergab, dass bisher eingesetzte dezentrale PID-Regelungen das vorhandene Potential an Performance nicht ausnutzen können. Die Hauptursache ist das anspruchsvolle Steuerverhalten aufgrund der starken Verkopplungen und der Schwingungsneigung des Prozesses. In der Simulation konnten mit einer modifizierten linearen Mehrgrößenregelung die Regelergebnisse deutlich verbessert werden.
Publications
- Analysis of Wing-in-Ground-Effect Vehicle with regard to Safety Ensuring Control. In: IFAC World Congress Bd. 19. South Africa, 2014, S. 863–868
Hahn, T. ; Drewelow, W. ; Dewitz, D. ; Kolewe, B. ; Lampe, B.P.
- Flight Stability and Safety of WIG Craft With and Without Feedback Control. In: 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, American Society of Mechanical Engineers, 2014
Groß, A. ; Kornev, N. ; Hahn, T. ; Lampe, B. ; Drewelow, W.
(See online at https://dx.doi.org/10.1115/ESDA2014-20254) - Control of Wing-in- Ground-Effect Craft with Respect to Unsteady Flow Effects. In: Deutscher Luft- und Raumfahrkongress, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt, 2015
Hahn, T. ; Drewelow, W. ; Lampe, B. ; Jeinsch, T. ; Groß, A. ; Kornev, N.
