Efficient robust control design and optimization methods for flight control

Abstract

In dieser Dissertation werden einige wesentliche Aufgaben im Reglerentwurfsprozess für integrierte Flugregelungen von großen, flexiblen Flugzeugen beleuchtet und in den folgenden vier Kernbereichen erweitert: Zuerst werden mehrere Beiträge zur Methodik des konvexen Reglerentwurfs erbracht, darunter die Entwicklung eines leistungsfähigen Optimierungswerkzeuges und Lösungsansätze zur Synthese stabiler und stabilisierender Regler. Danach wird ein allgemeiner Ansatz zur Optimierung von Entwurfsparametern in komplexen Reglerentwurfsabläufen mithilfe genetischer Algorithmen formuliert, implementiert und getestet. Schließlich wird das Problem der Ordnungsreduktion von Reglern behandelt und zwei Formulierungen im Rahmen der frequenzgewichteten balancierten Reduktion vorgestellt, die die Beibehaltung der Regelleistung ermöglichen. Letztendlich wird die Parametrierung von Reglern, genauer die darin auftretende Interpolation lineardynamischer Systeme auf Stabilität untersucht. Ein neuer Ansatz zur modalen Interpolation mit Methoden der Geometrischen Algebra wird vorgestellt, der vielversprechende erste Resultate liefert.<br />Mehrere komplexe Fallstudien stellen die Leistung der entwickelten Methoden dar. Dazu zählen vor allem die erfolgreichen, komplexen Reglerentwürfe für die Lateralregelung eines großen, flexiblen Nurflügel-Flugzeugs mit hohen Anforderungen an die Regelleistung und Robustheit.<br />Die Arbeit beginnt mit einer umfassenden Einführung in die nötigen Grundlagen und den Stand der Technik bei modernen optimalen und robusten Entwurfsmethoden für Regler und dynamische Vorsteuerungen, gefolgt von einer kurzen Darstellung der Flugzeugmodelle, die als Basis für die späteren Fallstudien dienen. Die genannten neuen Beiträge samt der Entwurfs-Fallstudien bilden den Kern der Arbeit, dem eine Zusammenfassung und Ausblick folgen. Die Arbeit endet mit einem ausführlichen Anhang, der zusätzliches Material als direkte Referenz bereitstellt.<br />Die hier entwickelten Methoden zum Entwurf, zur Reduktion und zur Interpolation von Reglern ermöglichen die Beherrschung hochkomplexer Entwurfsaufgaben in der Flugregelung großer, flexibler Flugzeuge.<br />Eindrucksvolle Ergebnisse konnten dabei in den vorgestellten Entwürfen der Lateralregelung für ein derartiges Nurflügel-Flugzeug erzielt werden.<br />

In this thesis, several essential tasks in the control design process for integrated flight control of large, flexible aircraft are investigated and extended in the following four core areas: First, several extensions to the convex control design methodology are proposed, including the development of an efficient numeric optimization tool and solution onsets to generate stable stabilizing controllers. Second, a general onset for design parameter optimization in complex control design flows by genetic algorithms is formulated, implemented, and tested. Third, the controller order reduction problem is considered and two frequency-weighted balanced reduction onsets to preserve control performance are proposed. Finally, the scheduling of control laws, specifically the task of interpolating linear system dynamics, is investigated for stability. A novel modal interpolation onset utilizing Geometric Algebra concepts is proposed which yields promising first results.<br />Numerous complex case studies demonstrate the performance of the developed methods.<br />Specifically, the complex control designs for the lateral control of a large flexible blended wing body aircraft with high demands on control performance and robustness can be carried out successfully.<br />The elaboration starts with a comprehensive introduction into the fundamental concepts and into the state of the art of modern optimal and robust control design methods for feedback and feed-forward control. The aircraft models used in the subsequent case studies are introduced, followed by the core chapters which present the novel contributions as well as the associated case studies and examples. A summary and outlook on future research as well as an extensive appendix with additional material for quick reference conclude the work.<br />The methods and tools developed herein for control design, order reduction, and controller interpolation enable the engineer to master highly complex design tasks in the flight control design of large flexible aircraft. Impressive results could be obtained in the presented case studies on lateral flight control design for a flexible blended wing body aircraft.