DE102008014236B4

DE102008014236B4 - Schwingungsreduktionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008014236B4
Application number: DE200810014236
Authority: DE
Inventors: Dr. Maier Rudolf; Andreas Wildschek
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2028-03-15
Also published as: DE102008014236A1; WO2009112213A1

Abstract

Schwingungsreduktionsvorrichtung zur Reduktion von Schwingungen eines Flugkörpers, mit: einer Regelungseinrichtung (101; 201) zum Erzeugen zumindest eines Stellsignals für eine gemeinsame Reduktion von Strukturschwingungen und Starrkörperschwingungen auf der Basis von erfassten Strukturschwingungen und von erfassten Starrkörperschwingungen, wobei die Regelungseinrichtung (101; 201) als ein adaptiver Mehrkanalregler ausgeführt ist, dem eine Mehrzahl von Referenzsignalen und gemessenen Strukturvibrationen mittels eines ersten Rückkopplungspfades (107) und von gemessenen Starrkörpervibrationen mittels eines zweiten Rückkopplungspfades (109) zugeführt werden, und wobei das Stellsignal die Strukturschwingungen und die Starrkörperschwingungen berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schwingungsreduktion bei Flugkörpern, insbesondere bei Flugzeugen.
Durchfliegt ein Flugkörper beispielsweise ein turbulentes Atmosphärengebiet, so entstehen aufgrund der Turbulenzen unerwünschte Starrkörperschwingungen sowie Strukturschwingungen, die den Passagierkomfort sowie das Flugverhalten beeinträchtigen und zu einer erhöhten Belastung der Flugkörperstruktur führen können.
Die vorgenannten Schwingungen können beispielsweise mithilfe von Differenzdrucksensoren, Windfahnen oder durch LIDAR (LIDAR: Light Detection and Ranging) erfasst und mittels einer geeigneten Regelung zumindest teilweise kompensiert werden. Diesbezüglich ist in der Schrift DE 198 41 632 C2 eine Rückführregelung zur Schwingungsreduktion offenbart. Die EP 1 814 006 A1 offenbart eine adaptive Vorsteuerregelung zur Reduktion von Strukturschwingungen.
Eine Kombination aus Vorsteuerregelung und Rückführregelung ist in der DE 10 2007 035 461 A1 und in der DE 20 2007 010 518 U1 offenbart.
Die nach dem Anmeldetag der Erfindung veröffentlichte DE 10 2007 035 461 A1 offenbart einen induktiven Böensensor an einem Luftfahrzeug. Um Vibrationen zu reduzieren, ist eine Steuerung mit einem Regelkreis gezeigt, der eine Rückführungsvorrichtung und eine Vorsteuerregelungseinrichtung umfasst. Die Vorsteuerregelungseinrichtung umfasst einen Filter durch den ein AC Signal gesendet wird. Der Filter berechnet aus dem Eingangs-AC Signal ein Steuersignal welches in einen Mischer geht. Die Rückführungseinrichtung umfasst einen Sensor, der Strukturschwingungen mit Hilfe von beispielsweise einem Beschleunigungssensor misst. Dieser Messwert wird einem Rückführregler zur Verfügung gestellt. Aus den Messsignalen errechnet der Rückführregler Steuersignale für die Aktoren des Luftfahrzeugs. Diese Steuersignale werden im Mischer mit den Signalen aus dem Filter zusammengeführt und es wird beispielsweise eine Addition der Signale ausgeführt. Dem Rückführregler wird nur genau ein Messwert übermittelt, der einer Strukturkörperschwingung und/oder Starrkörperschwingung entspricht.
Die DE 20 2007 010 518 U1 offenbart eine kombinierte Rückführ- und Vorsteuerregelung zur aktiven Verminderung von Schwingungen bei Luftfahrzeugen. Um Strukturschwingungen bei Luftfahrzeugen zu vermeiden, wird eine Steuerung mit einem Regelkreis offenbart, der mittels einer Rückführ- und Vorsteuerregelung diese Schwingungen ausgleicht.
Ferner offenbart die EP 1 814 006 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minimierung von Strukturschwingungen eines Flugzeugs bei externen Anregungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zur gemeinsamen Unterdrückung von Struktur- und Starrkörperschwingungen eines Flugkörpers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schwingungsreduktionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Flugkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Schwingungsreduktionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Strukturschwingungen und die Starrkörperschwingungen eines Flugkörpers effizient mittels einer gemeinsamen Regelungseinrichtung reduziert werden können, wenn diese Schwingungen separat erfasst und der Regelungseinrichtung bevorzugt gleichzeitig zugeführt werden. Die als ein adaptiver Mehrkanalregler ausgeführte Regelungseinrichtung, der eine Mehrzahl von Referenzsignalen zugeführt werden, erzeugt auf der Basis der erfassten Struktur- und Starrkörperschwingungen beispielsweise ein oder mehrere Stellsignale, die beispielsweise Stellantrieben zur Erzeugung von Störgrößen zugeführt werden, so dass die sich aus einer Struktur- und einer Starrkörperschwingung zusammensetzende gemeinsame Schwingung reduziert wird.
Die Erfindung betrifft eine Schwingungsreduktionsvorrichtung zur Reduktion von Schwingungen eines Flugkörpers mit einer Regelungseinrichtung zum Erzeugen zumindest eines Stellsignals für eine gemeinsame Reduktion von Strukturschwingungen und Starrkörperschwingungen auf der Basis von erfassten Strukturschwingungen und von erfassten Starrkörperschwingungen, wobei das Stellsignal die Strukturschwingungen und die Starrkörperschwingungen berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schwingungsreduktionsvorrichtung ferner eine erste Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Strukturschwingungen des Flugkörpers und eine zweite Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Starrkörperschwingungen des Flugkörpers.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schwingungsreduktionsvorrichtung ferner einen oder mehrere Aktoren, die durch das zumindest eine Stellsignal steuerbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, das zumindest eine Stellsignal Stellantrieben für Stellklappen des Flugkörpers zuzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Regelungseinrichtung einen adaptiven Mehrkanalregler, der ausgebildet ist, das zumindest eine Stellsignal durch eine gemeinsame Verarbeitung der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Regelungseinrichtung einen adaptiven Mehrkanalregler zum Erzeugen von zumindest einem ersten Signal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen und diesen jeweils zugeordneten Referenzsignalen, und einen Mehrkanalrückführregler zum Erzeugen von zumindest einem zweiten Signal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen, wobei das zumindest eine Stellsignal auf der Basis einer Verknüpfung des ersten Signals mit dem zweiten Signal erzeugbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, das zumindest eine Stellsignal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen sowie auf der Basis von Referenzsignalen, die jeweils den erfassten Strukturschwingungen oder der erfassten Starrkörperschwingungen zugeordnet sind, zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Regelungseinrichtung ferner einen Rückführzweig zum Zuführen der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen zu der Regelungseinrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung ausgebildet, das zumindest eine Stellsignal derart zu erzeugen, dass die erfassbaren Strukturschwingungen und die erfassbaren Starrkörperschwingungen minimiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Flugkörper, insbesondere ein Flugzeug, mit der erfindungsgemäßen Schwingungsreduktionsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Schwingungsreduktionsverfahren zur Reduktion von Schwingungen eines Flugkörpers mit Erfassen von Strukturschwingungen des Flugkörpers, Erfassen von Starrkörperschwingungen des Flugkörpers und Erzeugen eines Stellsignals für eine gemeinsame Reduktion von Strukturschwingungen und Starrkörperschwingungen auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen.
Weitere Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Schwingungsreduktionsvorrichtung gemäß der Erfindung; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schwingungsreduktionsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die in 1 dargestellte Schwingungsreduktionsvorrichtung umfasst einen adaptiven Mehrkanalregler 101, der beispielsweise Steuerbefehle für die Aktoren eines Flugkörpers 103, beispielsweise eines Flugzeugs, erzeugt. Die Regelungseinrichtung 101 ist beispielsweise als ein adaptiver Mehrkanalregler ausgeführt, dem eine Mehrzahl von Referenzsignalen zugeführt werden kann. Ferner ist ein Rückkopplungszweig 105 vorgesehen, der die gemessenen Strukturvibrationen mittels eines Rückkopplungspfades 107 und die gemessenen Starrkörpervibrationen mittels eines Rückkopplungspfades 109 der Regelungseinrichtung 101 zuführt.
Die der Regelungseinrichtung 101 zugeführten Referenzsignale können beispielsweise unter Verwendung von LIDAR, von Anstellwinkelsensoren, von Schiebewinkelsensoren oder von einer Kombination der vorgenannten Sensoren erzeugt werden. Die Referenzsignale können ferner durch induktive Böensensoren beispielsweise in Kombination mit einem LIDAR und einem Einstellwinkelsensor erzeugt werden.
Die Regelungseinrichtung 101 umfasst beispielsweise einen adaptiven Mehrkanalregler, der z. B. eine Matrix von FIR (FIR: Finite Impulse Response) oder IIR (IIR: Infinite Impulse Response) Reglern umfassen kann. Der Mehrkanalregler kombiniert und modifiziert die Referenzsignale für die Berechnung der Steuerbefehle für die Aktoren des Flugkörpers 103 und wird über den Rückführzweig 105 derart adaptiert, dass die gemessenen unerwünschten Starrkörperbewegungen und die gemessenen Strukturvibrationen des Flugzeugs 103 minimiert werden. Ferner können in dem Flugkörper 103 Rückführregelungen zur Stabilisation der Schwingungsdämpfung vorgesehen sein.
2 zeigt eine Schwingungsreduktionsvorrichtung mit einer Regelungseinrichtung umfassend einen adaptiven Mehrkanalregler 201, einen Mehrkanalrückführregler 203 sowie Verknüpfungselemente 205.
Der adaptive Mehrkanalregler 201 empfängt Referenzsignale und erzeugt auf der Basis der Referenzsignale sowie der über einen ersten Pfad 207 eines ersten Rückkopplungszweiges 209 zugeführten, gemessenen Starrkörperbewegungen und der über einen zweiten Rückkopplungspfad 211 des ersten Rückkopplungszweiges 209 zugeführten gemessenen Strukturvibrationen erste Signale, die jeweils den Verknüpfungselementen 205 zugeführt werden. Der adaptive Mehrkanalregler umfasst beispielsweise eine Anzahl von Eingängen, über die jeweils ein Referenzsignal zugeführt wird, sowie eine entsprechende Anzahl von Ausgängen, wobei jedem Ausgang ein Verknüpfungselement 205 zugeordnet ist. Die Verknüpfungselemente 205 führen beispielsweise eine Multiplikation der jeweils zugeführten Signale durch.
Der Mehrkanalrückführregler 203 ist in einem zweiten Rückkopplungszweig 213 angeordnet und empfängt über einen ersten Rückkopplungspfad 215 die gemessenen Strukturvibrationen sowie über einen zweiten Rückkopplungspfad 217 die gemessenen Starrkörperbewegungen. Der Mehrkanalrückführregler 203 erzeugt auf der Basis der erfassten Starrkörperbewegungen und Strukturvibrationen zweite Signale, die den Verknüpfungselementen 205 zugeführt werden. Dabei ist jedes der Verknüpfungselemente 205 vorgesehen, jeweils ein Ausgangssignal des adaptiven Mehrkanalsreglers 201 mit jeweils einem Ausgangssignal des Mehrkanalrückführreglers 203 zu verknüpfen. Am Ausgang der Verknüpfungselemente 205 entstehen Stell- bzw. Steuersignale, die als Steuerbefehle für die beispielsweise in dem Flugzeug 103 angeordneten Aktoren eingesetzt und diesen zugeführt werden.
Wie in den 1 und 2 dargestellt wird bevorzugt eine integrierte Vorsteuerregelung zur Kompensation von unerwünschten Starrkörperbewegungen und Strukturschwingungen gleichzeitig und gleichermaßen eingesetzt. Dabei stellt sich die Regelung in einem Flugzustand automatisch so ein, dass die Starrkörper- und Strukturschwingungen bevorzugt gleichermaßen reduziert werden, sodass ein optimaler Flugkomfort sowie kleinstmögliche Strukturbelastungen erreicht werden können. Somit wird eine getrennte, zeitaufwändige und suboptimale Auslegung der Regelungen für die Strukturregelung und für die Starrkörperregelung zugunsten einer gemeinsamen Regelung aufgegeben.
Die Adaption wird bevorzugt automatisch in dem jeweiligen Flugzustand durchgeführt. Dabei müssen nicht mehrere Regelungen aufeinander abgestimmt werden, da erfindungsgemäß nur eine gemeinsame Vorsteuerregelung zur Kompensation von unerwünschten Auswirkungen von Turbulenzen auf das Flugverhalten eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Konzept auch unter Verwendung eines einzigen Mehrkanalreglers, wie in 1 dargestellt, implementiert werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Beeinflussung der Starrkörper- und der Strukturschwingungen beispielsweise gleichzeitig, wobei eine Gewichtung zwischen einer Starrkörperschwingungsreduktion und einer Strukturschwingungsreduktion möglich und beispielsweise frei wählbar sein kann. Der durch die Regelungseinrichtung verwendete Adaptionsalgorithmus für die Regleroptimierung kann beispielsweise ein Modell der Regelstrecke und/oder des Flugzeugs enthalten und kann ferner die Resonanzfrequenzen des Flugzeugs berücksichtigen. Die Adaption des Mehrkanalreglers kann beispielsweise gemäß einem frei definierbaren Kriterium durchgeführt werden, das beispielsweise die Minimierung des durch die Schwingungsreduktion herbeigeführten, erhöhten Kraftstoffverbrauchs beinhaltet.
Die Erfindung wurde vorstehend auf der Basis der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Erfindungsgemäß sind weitere Ausführungsbeispiele im Rahmen der beigefügten Ansprüche möglich.

Claims

Schwingungsreduktionsvorrichtung zur Reduktion von Schwingungen eines Flugkörpers, mit: einer Regelungseinrichtung (101; 201) zum Erzeugen zumindest eines Stellsignals für eine gemeinsame Reduktion von Strukturschwingungen und Starrkörperschwingungen auf der Basis von erfassten Strukturschwingungen und von erfassten Starrkörperschwingungen, wobei die Regelungseinrichtung (101; 201) als ein adaptiver Mehrkanalregler ausgeführt ist, dem eine Mehrzahl von Referenzsignalen und gemessenen Strukturvibrationen mittels eines ersten Rückkopplungspfades (107) und von gemessenen Starrkörpervibrationen mittels eines zweiten Rückkopplungspfades (109) zugeführt werden, und wobei das Stellsignal die Strukturschwingungen und die Starrkörperschwingungen berücksichtigt.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine erste Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Strukturschwingungen des Flugkörpers und eine zweite Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Starrkörperschwingungen des Flugkörpers umfasst.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen oder mehrere Aktoren umfasst, die durch das zumindest eine Stellsignal steuerbar sind.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101, 201) ausgebildet ist, das zumindest eine Stellsignal Stellantrieben für Stellklappen des Flugkörpers zuzuführen.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101, 201) einen adaptiven Mehrkanalregler umfasst, der ausgebildet ist, das zumindest eine Stellsignal durch eine gemeinsame Verarbeitung der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen zu erzeugen.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101, 201) einen adaptiven Mehrkanalregler zum Erzeugen von einem ersten Signal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen und diesen jeweils zugeordneten Referenzsignalen und einen Mehrkanalrückführregler (203) zum Erzeugen von einem zweiten Signal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen aufweist, wobei das zumindest eine Stellsignal auf der Basis einer Verknüpfung des ersten Signals mit dem zweiten Signal erzeugbar ist.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101, 201) ausgebildet ist, das zumindest eine Stellsignal auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen sowie auf der Basis von Referenzsignalen, die jeweils den erfassten Strukturschwingungen oder den erfassten Starrkörperschwingungen zugeordnet sind, zu erzeugen.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101, 201) ferner einen Rückführzweig (105) zum Zuführen der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen zu der Regelungseinrichtung aufweist.
Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (101) ausgebildet ist, das zumindest eine Stellsignal derart zu erzeugen, dass die erfassbaren Strukturschwingungen und die erfassbaren Starrkörperschwingungen minimiert werden.
Flugkörper mit der Schwingungsreduktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Schwingungsreduktionsverfahren zur Reduktion von Schwingungen eines Flugkörpers, mit: Erfassen von Strukturschwingungen des Flugkörpers; Erfassen von Starrkörperschwingungen des Flugkörpers; und Erzeugen eines Stellsignals für eine gemeinsame Reduktion von Strukturschwingungen und Starrkörperschwingungen auf der Basis der erfassten Strukturschwingungen und der erfassten Starrkörperschwingungen, wobei eine Regeleinrichtung als ein adaptiver Mehrkanalregler ausgeführt ist, dem eine Mehrzahl von Referenzsignalen und gemessenen Strukturvibrationen mittels eines ersten Rückkopplungspfades (107) und von gemessenen Starrkörpervibrationen mittels eines zweiten Rückkopplungspfades (109) zugeführt werden.