DE102013107268B4

DE102013107268B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber

Info

Publication number: DE102013107268B4
Application number: DE102013107268.2A
Authority: DE
Inventors: Steffen Greiser; Robin Lantzsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: DE102013107268A1

Abstract

Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber (2), wobei ein Ansteuersignal (4) für eine in einer Wirkrichtung wirksame Lenkeinrichtung modifiziert und wobei die Lenkeinrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') angesteuert wird, um aus dem Ansteuersignal (4) resultierende Schwingungen des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung aktiv abzumindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftresonanz als Störung betrachtet und beim Modifizieren des Ansteuersignals (4) durch Störgrößenaufschaltung berücksichtig wird, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt, wobei Signalanteile (18) mit anderen Frequenzen und/oder Phasen zu dem Ansteuersignal (4) hinzugefügt werden, als sie in einer tatsächlichen Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung enthalten sind, wobei die hinzugefügten Signalanteile (18) nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9.
Insbesondere geht es bei den abzumindernden Schwingungen um Rollschwingungen des Hubschraubers um seine Längsachse.
STAND DER TECHNIK
Bei der Stabilisierung und Regelung des Rollwinkels eines Hubschraubers, der gelenklos gelagerte weiche Rotorblätter aufweist, mit dessen Quersteuer kann eine Resonanz in Rollrichtung auftreten. Eine derartige Rollschwingung, d. h. eine Luftresonanz hervorgerufen durch regressives Verschwenken der Rotorblätter, wie sie z. B. bei den Hubschraubermodellen EC 135 und EC 145 beobachtet wird, ist bei Hubschraubern mit geregelt angesteuertem Quersteuer äußerst störend.
Es ist bekannt, dass die Schwingungsform der Rollschwingung eines Hubschraubers hinsichtlich Frequenz und Dämpfung je nach Fluggeschwindigkeit, Wetter und Hubschrauberkonfiguration variiert. Daher ist bei einer Kompensation einer solchen Luftresonanz darauf zu achten, dass ein möglichst breites Band möglicher Frequenzen der Luftresonanz abgedeckt wird, ohne das Nutzsignal, d. h. das Signal, mit dem eine gewollte Änderung der Rollrate bzw. des Rollwinkels hervorgerufen wird, zu behindern. Die Eigenfrequenz der Rollschwingungen eines Hubschraubers liegt bei typischerweise knapp 2 Hz, während Nutzsignale hinauf bis zu 1,5 Hz auftreten können.
Bei geregelten Serienhubschraubern wird die mit einem Ansteuersignal für eine Lenkeinrichtung hervorgerufene Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der angesteuerten Lenkeinrichtung erfasst und nach Proportionalverstärkung mit einem kleinen negativen Verstärkungsfaktor dem originären Ansteuersignal für das Quersteuer hinzugefügt. Aufgrund des negativen Verstärkungsfaktors entspricht dies einer Subtraktion der erreichten Änderung als Istwert von der mit dem Ansteuersignal angeforderten Änderung als Sollwert. Der kleine Verstärkungsfaktor facht dabei eine auftretende Schwingung nicht weiter an. Die Regelung des Hubschraubers ist damit aber auch nicht in der Lage, derartige Schwingungen zu kompensieren. Hierzu wäre eine höhere Verstärkung des zurückgeführten Signals erforderlich, wie sie auch Vorraussetzung für ein dynamischeres Verhalten eines geregelten Hubschraubers ist.
Eine höhere Verstärkung des zurückgeführten Signals wäre zwar mit einer höheren Dynamik des geregelten Hubschraubers verbunden. Es bestünde aber die Gefahr, dass höhere Verstärkungsfaktoren eine vorhandene Schwingung noch weiter anfachen.
R. Lantzsch et al., ”Increasing Handling Qualities and Flight Control Performance using an Air Resonance Controller”, American Helicopter Society 64th Annual Forum, Montreal, Canada, 29. April–1. Mai, 2008 offenbaren ein Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei diesem Verfahren wird die Rollrate des Hubschraubers gefiltert. Die gefilterte Rollrate wird mit einem negativen Verstärkungsfaktor proportional verstärkt. Sie wird dann einem Ansteuersignal für das Quersteuer des Hubschraubers hinzugefügt, wodurch sie als Istwert für eine Regelung der Rollrate verwendet wird. Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass die gefilterte Rollrate nur eine einzelne Information ist. Zudem muss eine ausreichende Phasenvoreilung beim Filtern der Rollrate erreicht werden. Diese Phasenvoreilung ist wichtig, um die Schwingung zu kompensieren, bevor sie sich auswirken kann. Indem nur eine einzige Messgröße gefiltert wird, ist die Regelung des gesamten Hubschraubers mit mehreren ungefilterten Messgrößen, wie z. B. dem Rollwinkel, der Quergeschwindigkeit, der Querablage, dem Nickwinkel usw. nicht besonders leistungsfähig. Ein zum Filtern der Rollrate verwendetes Filter kann jedoch sehr leicht im Flug des Hubschraubers nachgestellt werden.
Aus M. D. Takahashi et al., ”Helicopter air resonance modeling and suppression using active control”, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 14, Issue 6, November 1991, S. 1294–1300 ist es zur Kompensation einer Luftresonanz beim Hubschrauber bekannt, eine Schwingungsform eines Hubschraubers mit Hilfe einer Zustandsrückführung zu kompensieren. Um die Kompensation zu realisieren, werden mehrere, nicht messbare Zustandsgrößen benötigt. Dies erhöht die Komplexität, da eine Schätzung oder Rekonstruktion der Zustände nötig ist. Falls die im Flug beobachtete Luftresonanz nicht mit dem zugrunde liegenden Modell übereinstimmt und die Kompensation nicht robust genug ausgelegt ist, so muss eine für die Zustandsrückführung verwendete Rückführmatrix angepasst werden. Die Rückführmatrix selbst lässt sich im Flug nur schwer einstellen, weil sie Koeffizienten beinhaltet. Vorteilhaft bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch, dass es für eine In-Flight-Simulation geeignet ist, wie sie umfangreich in der Ausbildung von Hubschrauberpiloten zur Anwendung kommt.
Aus der DE 601 01 928 T2 ist ein Drehflügelflugzeug mit elektrischer Blattwinkelverstellsteuerung, d. h. ein Luftfahrzeug mit Drehflügeln, zum Beispiel von der Art Hubschrauber bekannt, bei dem die Blattwinkelverstellung eines mit Blättern versehenen und die Drehflügel bildenden Rotors vollständig elektrisch gesteuert wird. Jedes Blatt weist eine Vielzahl von Hinterkantenklappen auf, die entlang der Spannweite des Blatts angeordnet sind. Jeder Hinterkantenklappe jedes Blatts ist eine elektrische Betätigungsvorrichtung zugeordnet. Einem Piloten stehen ein kollektiver Blattwinkelsteuerungshebel und ein zyklischer Blattwinkelsteuerungshebel zur Verfügung. Den Hebeln sind Messfühler zugeordnet, die die Bewegungen der Hebel in elektrische oder optische Steuerungsanweisungen umwandeln, die an eine elektrische Flugsteuerungsvorrichtung geschickt werden. Diese empfängt außerdem Flugparameter, die von Messfühlern, Beschleunigungsmessen, Girometern usw. geliefert werden. Ausgehend von den Steueranweisungen und den Flugparametern erarbeitet die elektrische Steuerungsvorrichtung eine Vielzahl von Steuerbefehlen, die für die Klappen der Blätter bestimmt sind. Wenn eine Luftresonanz auftritt, wird dieses Resonanzproblem bei dem bekannten Drehflügelflugzeug gelöst, indem eine Vorrichtung vorgesehen ist, die Beschleunigungsmessern zugeordnet ist und in der Lage ist, den Steuerbefehlen zumindest in manchen der Steuerkanäle ein Signal hinzuzufügen, das aus kleinen Schwingungskomponenten mit der dem Rotor eigenen Resonanzfrequenz besteht. Diese Komponenten sind proportional zu den bei dieser gleichen Frequenz von zwei der Beschleunigungsmessern gemessenen Beschleunigungen, die im ortsfesten Bereich auf dem Rotorgetriebe, das den Rotor trägt, gemäß zwei Richtungen orthogonal zur Achse des Rotors und orthogonal zueinander angeordnet sind. Die in die Steuerbefehle eingehenden Komponenten sind phasenverschoben, um eine Rückkopplung zu erzeugen, die die Eigenschwingung des Rotors dämpft.
Aus der DE 692 01 686 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, um die divergierenden Schwingungen eines Hubschrauberrumpfes zu verringern. Der Rumpf eines Hubschraubers kann bei rotierendem Rotor und bei bestimmten Winkelgeschwindigkeiten des Rotors niederfrequenten Schwingungen ausgesetzt sein, die stark und divergent sein können. Dieses Phänomen ergibt sich aus einer Kopplung zwischen der Schwenkschwingung der Rotorblätter und den Bewegungen des Rumpfs. Dabei erzeugt die Schwenkschwingung der Blätter im Rumpf Längs- und Seitenkräfte die ihrerseits zur Verschiebung des Rotorkopfs führen, sodass sich die Schwenkbewegung der Rotorblätter erhöht. Dieses Phänomen kann instabil werden. Eine solche Instabilität im Flug ist eine Luftresonanz. Bei dem bekannten Verfahren werden zur Reduzierung der in dem Rumpf eines Hubschraubers durch seine rotierende Tragschraube induzierten divergenten Schwingungen, wenn sich der Hubschrauber in der Luft befindet und an der Tragschraube aufgehängt ist, die Schwingungen des Hubschrauberrumpfes während des Flugs erfasst und wird wenigstens ein für die Schwingungen während des Flugs repräsentatives Erfassungssignal erzeugt. Aus dem für die Schwingung während des Flugs repräsentativen Erfassungssignal wird an Bord des Hubschraubers ein derartiges Kontrollsignal der Schwingungen während des Flugs gebildet, dass die Frequenz gleich derjenigen des für die Schwingungen während des Flugs repräsentativen Erfassungssignals ist, und das Kontrollsignal der Schwingungen wird während des Flugs wenigstens einem ersten Betätigungsorgan aufgegeben, das den induzierten Schwingungen entgegenwirken soll. Das Betätigungsorgan ist in der kinematischen Kette für die Steuerung der zyklischen Verstellung der Tragschraubenblätter angeordnet, und Phasen und Amplituden des Kontrollsignals der Rollbewegung während des Flugs sind derart, dass die Wirkung des ersten Betätigungsorgans auf die zyklische Verstellung in der Erzeugung eines Komplexes von Kräften- und Momenten durch die Tragschraube resultiert, die bei Rollbewegung während des Flugs der Auswirkung der divergenten Schwingungen auf den Rumpf entgegenwirken.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz beim Hubschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9 aufzuzeigen, die bei vergleichweise geringer Komplexität, einfacher, vorzugsweise automatischer Einstellbarkeit und Anwendbarkeit für die In-Flight-Simulation eine Abminderung von Schwingungen des Hubschraubers erreichen, die durch Ansteuerung einer oder mehrerer seiner Lenkeinrichtungen, insbesondere des Quersteuers, hervorgerufen werden können.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8 bzw. 10 bis 16 definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber, wobei ein Ansteuersignal für eine in einer Wirkrichtung wirksame Lenkeinrichtung modifiziert und wobei die Lenkeinrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal angesteuert wird, um aus dem Ansteuersignal resultierende Schwingungen des Hubschraubers aktiv abzumindern, wird die Luftresonanz als Störung betrachtet und beim Modifizieren des Ansteuersignals durch Störgrößenaufschaltung berücksichtig, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt, wobei Signalanteile mit anderen Frequenzen und/oder Phasen zu dem Ansteuersignal hinzugefügt werden, als sie in einer tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung enthalten sind, wobei die hinzugefügten Signalanteile nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden.
Indem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Luftresonanz beim Modifizieren des Ansteuersignals durch Störgrößenaufschaltung berücksichtigt wird, vollzieht die vorliegende Erfindung einen Paradigmenwechsel, und zwar weg davon, die Luftresonanz als Schwingungsphänomen anzusehen, welches auf die Bewegung des Hubschraubers Einfluss hat.
Dieser Paradigmenwechsel hat den Vorteil, dass die Luftresonanz mit regelungstechnischen Maßnahmen bei auf völlig andere Weise kompensiert wird als bislang. So wurde bislang die Luftresonanz ausschließlich durch Einflussnahme auf eine rückgekoppelte tatsächliche Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung aktiv abgemindert. Durch die erfindungsgemäße Betrachtung der Luftresonanz als Störung eröffnet sich der Weg einer Kompensation durch Störgrößenaufschaltung, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie erst gar nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt. Praktisch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von einem auf Rückführung der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung basierenden Kompensation der Luftresonanz durch das Hinzufügen von Signalanteilen zu dem Steuersignal, die andere Frequenzen oder Phasen oder Frequenzen und Phasen aufweisen, als sie in der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung enthalten sind. Dabei bedeutet ”andere Phase” hier ausdrücklich nicht, dass die hinzugefügten Signale gegenphasig zu der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers sind, sondern dass sie weder eine Phasenbeziehung von 0° noch eine Phasenbeziehung von 180° und vorzugsweise überhaupt keine feste Phasenbeziehung zu der Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung aufweisen. Dies bedeutet, dass die dem Ansteuersignal hinzugefügten Signale nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Signalanteile mit den zusätzlichen Frequenzen und/oder Phasen vorzugsweise aus einem invertierten Modell der Luftresonanz selbst bestimmt. Dieses invertierte Modell der Luftresonanz beschreibt, wie die jeweilige Lenkeinrichtung zusätzlich angesteuert werden muss, damit es bei dem aktuellen Ansteuersignal nur die gewünschte Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung aber keine Schwingungen hervorruft.
Das invertierte Modell der Luftresonanz kann unter Berücksichtigung der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung, die von der mit dem modifizierten Ansteuersignal angesteuerten Lenkeinrichtung bewirkt wird, adaptiert werden. Dies bedeutet keine Rückkopplung der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der angesteuerten Lenkeinrichtung. Eine solche Rückkopplung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht ausgeschlossen. Sie ist vielmehr Teil bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, siehe unten.
Konkret kann das Modell der Luftresonanz mit Hilfe eines Kalman-Filters eingestellt werden, das die Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in Wirkrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal abgleicht. Konkret kann dabei eine erwartete Übertragungsfunktion mit einer tatsächlichen Übertragungsfunktion zwischen dem modifizierten Ansteuersignal und der Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung angeglichen werden. Die dabei auftretenden Differenzen der Übertragungsfunktionen beschreiben die Luftresonanz, und das Kalman-Filter kann eine Zustandsgröße, d. h. ein Modell der Luftresonanz ausgeben. Dieses Modell der Störung muss dann nur noch invertiert werden, um dann die Signalanteile mit den anderen Frequenzen und/oder Phasen zum Hinzufügen zu dem Ansteuersignal bereitzustellen. Auch auf diese Weise wird nicht die tatsächliche Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung zurückgekoppelt, sondern nur das invertierte Modell der Luftresonanz aktualisiert.
Wie bereits angesprochen wurde, kann beim erfindungsgemäßen Modifizieren des Ansteuersignals auch eine herkömmliche Rückkopplung der Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung erfolgen. Konkret kann dazu zusätzlich die negativ proportionalverstärkte tatsächliche Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung zu dem Ansteuersignal hinzugefügt werden. Dies ist gleichbedeutend mit einer Subtraktion des Istwerts von dem mit dem Ansteuersignal angeforderten Sollwert. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Regelung mit geschlossener Regelschleife. Ohne die Rückführung der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers bildet das erfindungsgemäße Verfahren hingegen eine Feedforward-Control aus, selbst dann wenn das invertierte Modell der Luftresonanz durch Abgleich mit der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers fortlaufend aktualisiert wird.
Bei der Lenkeinrichtung, die mit dem erfindungsgemäß modifizierten Ansteuersignal angesteuert wird, kann es sich insbesondere um das Quersteuer eines Hubschraubers handeln, um Rollschwingungen des Hubschraubers als unerwünschte Luftresonanz abzumindern.
Bislang wurde bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung immer nur auf das Ansteuersignal für die jeweilige Lenkeinrichtung und die Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweils angesteuerten Lenkeinrichtung gesprochen. Die verschiedenen Lenkeinrichtungen eines Hubschraubers haben aber nicht nur Einfluss auf die Ausrichtung des Hubschraubers in der mit ihnen unmittelbar angesprochenen Wirkrichtung. Vielmehr treten unterschiedlich ausgeprägt auch Wechselwirkungen zwischen der Ansteuerung der einen Lenkeinrichtung und der Ausrichtung des Hubschraubers in einer Wirkrichtung einer anderen Lenkeinrichtung auf. Daher kann es günstig sein, wenn das Ansteuersignal für die eine Lenkeinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal für mindestens eine weitere Lenkeinrichtung und/oder von einer tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in einer Wirkrichtung einer weiteren Lenkeinrichtung modifiziert wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber mit einer Signalmodifizierungseinrichtung zum Modifizieren eines Ansteuersignals für eine in einer Wirkrichtung wirksame Lenkeinrichtung, wobei die Lenkeinrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal angesteuert wird, um aus dem Ansteuersignal resultierende Schwingungen des Hubschraubers in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung aktiv abzumindern, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung die Luftresonanz als Störgröße betrachtet und beim Modifizieren des Ansteuersignals durch Störgrößenaufschaltung berücksichtigt, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt, wobei die Signalmodifizierungseinrichtung Signalanteile mit anderen Frequenzen und/oder Phasen zu dem Ansteuersignal hinzufügt, als sie in einer tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung enthalten sind, wobei die hinzugefügten Signalanteile nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden.
Nähere Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung und zu deren bevorzugten Ausführungsformen können aus den voranstehenden Erläuterungen des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeleitet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der dargestellten relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm einer ersten, allgemeinen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber.
2 ist ein Blockdiagramm einer zweiten, spezielleren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kalman-Filter.
3 ist ein Blockdiagramm einer weiteren, speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Adaptiereinrichtung.
4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren, speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Rückkopplung der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers auf die Ansteuersignale für verschiedene Lenkeinrichtungen des Hubschraubers.
5 zeigt an einem 1 entsprechenden Beispiel die Modifikation des Ansteuersignals bei dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
6 zeigt die Modifikation des Ansteuersignals bei einem 5 entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren ohne Rückkopplung.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 skizzierte Vorrichtung 1 und das entsprechende Verfahren dienen zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber 2, wie sie bei der Ansteuerung einer Lenkeinrichtung des Hubschraubers 2, insbesondere dessen Quersteuer mit einem Aktuator 3 auftreten können. Es versteht sich, dass die jeweilige Lenkeinrichtung auch mehrere Aktuatoren 3 aufweisen kann und dass die Vorrichtung 1 und alle Aktuatoren 3 praktisch Teil des Hubschraubers 2 sind. Ein Ansteuersignal 4 für die jeweilige Lenkeinrichtung kommt von einer Eingabeeinrichtung 5. In einem Summationsknoten 6 wird dem Ansteuersignal 4 ein Signal 7 hinzugefügt, bei dem es sich um eine mit einem Proportionalverstärker 11 negativ proportionalverstärkte Änderung 8 der Ausrichtung des Hubschraubers 2 in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung handelt. Die Änderung 8 wird mit einem Sensor 9 an dem Hubschrauber 2 erfasst. Das Signal 7 gibt damit einen negativen Istwert beispielsweise der Rollrate wieder, während das Ansteuersignal 4 für das Quersteuer des Hubschraubers 2 den zugehörigen Sollwert vorgibt. Das durch diese Rückkopplung der tatsächlichen Änderung 8 des Hubschraubers 2 modifizierte Ansteuersignal 4' durchläuft eine Signalmodifizierungseinrichtung 10. Diese Signalmodifizierungseinrichtung 10 modifiziert das Ansteuersignal 4' weiter, wobei sie die zu kompensierende Luftresonanz als aufgeschaltete Störgröße im Sinne einer Vorsteuerung oder Feedforward-Control berücksichtigt. Dazu fügt sie dem Ansteuersignal 4' Signalanteile hinzu, die der Luftresonanz präventiv entgegenwirken. Diese Signalanteile umfassen auch solche mit anderen Frequenzen und/oder Phasen, als sie in dem Signal 7 enthalten sind. Erst mit dem derart erneut modifizierten Ansteuersignal 4'' wird der Aktuator 3 der jeweiligen Lenkeinrichtung angesteuert, um die vom Piloten des Hubschraubers über die Eingabeeinrichtung 5 angeforderte Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung herbeizuführen. Durch die Rückführung der tatsächlichen Änderung 8 bildet die Vorrichtung 1 eine Regelung aus. Für ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist aber die den Proportionalverstärker 11 umfassende Rückkopplungseinrichtung 12 nicht zwingend erforderlich, wie noch näher erläutert werden wird.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 und des entsprechenden Verfahrens gemäß 2 erläutert eine mögliche Ausgestaltung der Signalmodifizierungseinrichtung 10. Die Signalmodifizierungseinrichtung 10 umfasst hier ein Kalman-Filter 13, das das modifizierte Signal 4'', mit dem der Aktuator 3 angesteuert wird, bzw. die aufgrund des Ansteuersignals 4'' ohne auftretende Luftresonanz erwartete Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers 2 mit der tatsächlichen Änderung 8 abgleicht, um eine Zustandsgröße Z der Luftresonanz zu ermitteln. Diese Zustandsgröße Z kann auch als Modell der Luftresonanz bezeichnet werden. Sie wird in einem Invertierer 14 invertiert und dann in einem Summationsknoten 15 auf das schon zuvor in dem Summationsknoten 6 modifizierte Ansteuersignal 4' aufaddiert. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 2 wird die Schnelligkeit des Kalman-Filters 13 bei der Erfassung der Luftresonanz in Form deren Zustandsgröße z ausgenutzt.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 2 in der Detailausgestaltung der Signalmodifizierungseinrichtung 10. Hier ist eine Adaptiereinrichtung 16 vorgesehen, die das modifizierte Ansteuersignal 4'' mit der tatsächlichen Änderung 8 abgleicht, um ein invertiertes Modell 17 der Luftresonanz zu aktualisieren, so dass es zu dem aktuellen Flugzustand des Hubschraubers 2 passt. Dem invertierten Modell 17 entsprechend werden zusätzliche Signalanteile 18 in dem Summationsknoten 15 zu dem bereits zuvor modifizierten Ansteuersignal 4' hinzuaddiert. Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 wird mit der Adaptiereinrichtung 16 das invertierte Modell 17 der Luftresonanz ausschließlich auf aktuellem Stand gehalten. Die präventive Berücksichtigung der Luftresonanz als Störgröße wird von dem invertierten Modell 17 als solches geleistet.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 modifiziert die Signalmodifizierungseinrichtung 10 nicht nur das Ansteuersignal 4 von einer Eingabeeinheit 5, sondern auch die Ansteuersignale 24, 34 und 44 von weiteren Eingabeeinrichtungen 25, 35 und 45. Entsprechend werden modifizierte Ansteuersignale 4'', 24'', 34'' und 44'' verschiedenen Aktuatoren 3, 23, 33 und 43 zugeführt, mit denen verschiedene Lenkeinrichtungen des Hubschraubers 2 betätigt werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 10 berücksichtigt dabei auch, dass eines der Ansteuersignale 4, 24, 34 und 44 oder eine Änderung desselben auch eine Luftresonanz in der Wirkrichtung einer mit einem der anderen Ansteuersignale angesteuerten Lenkeinrichtung entfachen kann, so dass auch dieses andere Ansteuersignal sinnvollerweise modifiziert wird, um die Luftresonanz als Störung bei einer Feedforward-Control des Hubschraubers 2 zu berücksichtigen. Die Ansteuersignale 4, 24, 34 und 44 können als Vektor dargestellt werden, der in der Signalverarbeitungseinrichtung 10 mit einer Matrize multipliziert wird, die das invertierte Modell der Luftresonanz beinhaltet und die dabei Wechselwirkungen zwischen der Ansteuerung der einzelnen Lenkeinrichtungen des Hubschraubers 2 berücksichtigt. Bei den Eingabeeinrichtungen 5, 25, 35 und 45 kann es sich z. B. um das Längssteuer, das Quersteuer, das Pedal und die Kollektivsteuerung eines Hubschraubers handeln. Auch wenn in 4 keine Rückkopplungseinrichtung 12 gemäß den 1 bis 3 gezeigt ist, kann sie auch hier zusätzlich zu der Feedforward-Control des Hubschraubers 2 vorgesehen sein.
5 zeigt bei (a) ein exemplarisches Ansteuersignal 4 für das Quersteuer eines Hubschraubers. Bei (b) ist die tatsächliche Änderung 8 der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung des Quersteuers, d. h. die Rollrate, mit durchgezogener Linie aufgetragen. Bei (c) ist die Summe der negativ proportionalverstärkten Rollrate und des originären Ansteuersignals 4, d. h. das modifizierte Ansteuersignal 4', gezeigt. Bei (d) ist dann das erfindungsgemäß mit der Signalmodifizierungseinrichtung 10 nochmals modifizierte Ansteuersignal 4'' gezeigt. Hierin sind Signalanteile enthalten, die andere Phasen und Frequenzen aufweisen als sowohl das originäre Ansteuersignal 4 gemäß (a) als auch die tatsächliche Änderung 8 gemäß (b). Der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Vergleich der mit durchgezogener Linie bei (b) gezeigten tatsächlichen Änderung 8 mit einer dort mit gestrichelter Linie gezeigten Rollrate des Hubschraubers ohne Kompensation der Luftresonanz als aufgeschaltete Störgröße deutlich. Bei der mit gestrichelter Linie gezeigten Rollrate ist eine Rollschwingung zu erkennen, die durch die verstärkte Rückkopplung der Rollrate angefacht und aufrechterhalten wird.
In 6 ist bei (a) grundsätzlich dasselbe Ansteuersignal 4 wie in 5 gezeigt. Bei (b) ist wieder die tatsächliche Änderung 8 der Ausrichtung des Hubschraubers in der Wirkrichtung des Quersteuers, d. h. die Rollrate, mit durchgezogener Linie aufgetragen. Bei (c) ist das allein durch die erfindungsgemäße Feedforward-Control erstellte modifizierte Ansteuersignal 4'' für das Quersteuer des Hubschraubers dargestellt. Wenn das dabei verwendete invertierte Modell der Luftresonanz perfekt ist, kann allein mit der Modifikation des Ansteuersignals 4 durch die Signalmodifizierungseinrichtung 10 dem Auftreten einer Luftresonanz entgegengewirkt werden. Auch bei einem nur guten invertierten Modell ist eine zumindest weitgehende Kompensation der Luftresonanz auch ohne Rückkopplungseinrichtung möglich. Der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch hier bei einem Vergleich der mit durchgezogener Linie bei (b) gezeigten tatsächlichen Änderung 8 mit einer dort mit gestrichelter Linie gezeigten Rollrate des Hubschraubers ohne Kompensation der Luftresonanz als aufgeschaltete Störgröße deutlich. Bei der mit gestrichelter Linie gezeigten Rollrate ist eine abklingende Rollschwingung zu erkennen, während die erfindungsgemäß erreichte Änderung 8 dem ursprünglichen Ansteuersignal 4 gut folgt, wenn auch verglichen mit 5(b) durch die fehlende Rückkopplung der Rollrate im gegenläufigen Teil des Ausschlags des Ansteuersignals 4 etwas verzögert.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hubschrauber
3: Aktuator
4: Ansteuersignal
4', 4'': modifiziertes Ansteuersignal
5: Eingabeeinrichtung
6: Summationsknoten
7: Signal
8: tatsächliche Änderung
9: Sensor
10: Signalmodifizierungseinrichtung
11: Proportionalverstärker
12: Rückkopplungseinrichtung
13: Kalman-Filter
14: Invertierer
15: Summationsknoten
16: Adaptiereinrichtung
17: invertiertes Modell
18: Signalanteile
23: Aktuator
33: Aktuator
43: Aktuator
24: Ansteuersignal
34: Ansteuersignal
44: Ansteuersignal
24'': modifiziertes Ansteuersignal
34'': modifiziertes Ansteuersignal
44'': modifiziertes Ansteuersignal
25: Eingabeeinrichtung
35: Eingabeeinrichtung
45: Eingabeeinrichtung
Z: Zustandsgröße

Claims

Verfahren zur Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber (2), wobei ein Ansteuersignal (4) für eine in einer Wirkrichtung wirksame Lenkeinrichtung modifiziert und wobei die Lenkeinrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') angesteuert wird, um aus dem Ansteuersignal (4) resultierende Schwingungen des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung aktiv abzumindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftresonanz als Störung betrachtet und beim Modifizieren des Ansteuersignals (4) durch Störgrößenaufschaltung berücksichtig wird, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt, wobei Signalanteile (18) mit anderen Frequenzen und/oder Phasen zu dem Ansteuersignal (4) hinzugefügt werden, als sie in einer tatsächlichen Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung enthalten sind, wobei die hinzugefügten Signalanteile (18) nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanteile (18) mit den zusätzlichen Frequenzen und/oder Phasen aus einem invertierten Modell (17) der Luftresonanz bestimmt werden, das beschreibt, wie die jeweilige Lenkeinrichtung zusätzlich angesteuert werden muss, damit es bei dem aktuellen Ansteuersignal nur die gewünschte Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung aber keine Schwingungen hervorruft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das invertierte Modell (17) unter Berücksichtigung der tatsächlichen Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung, die von der mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') angesteuerten Lenkeinrichtung bewirkt wird, adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Luftresonanz mit Hilfe eines Kalman-Filters (13) erstellt wird, das die Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') abgleicht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalman-Filter (13) eine erwartete Übertragungsfunktion mit einer tatsächlichen Übertragungsfunktion zwischen dem modifizierten Ansteuersignal (4'') und der Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung abgleicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Modifizieren des Ansteuersignals (4) – vor dem Modifizieren des Ansteuersignals (4) unter Berücksichtigung der Luftresonanz als aufgeschaltete Störgröße – die negativ proportionalverstärkte tatsächliche Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung zu dem Ansteuersignal (4) hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung das Quersteuer des Hubschraubers (2) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal (4) für die Lenkeinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal (24, 34, 44) für mindestens eine weitere Lenkeinrichtung und/oder von einer tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in einer Wirkrichtung einer weiteren Lenkeinrichtung modifiziert wird.
Vorrichtung (1) für die Kompensation einer Luftresonanz bei einem Hubschrauber (2), mit einer Signalmodifizierungseinrichtung (10) zum Modifizieren eines Ansteuersignals (4) für eine in einer Wirkrichtung wirksame Lenkeinrichtung, wobei die Lenkeinrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') angesteuert wird, um aus dem Ansteuersignal (4) resultierende Schwingungen des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der Lenkeinrichtung aktiv abzumindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung (10) die Luftresonanz als Störung betrachtet und beim Modifizieren des Ansteuersignals (4) durch Störgrößenaufschaltung berücksichtigt, die darauf abzielt, die Luftresonanz so vorgreiflich zu kompensieren, dass sie nicht zu Änderungen der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung führt, wobei die Signalmodifizierungseinrichtung (10) Signalanteile (18) mit anderen Frequenzen und/oder Phasen zu dem Ansteuersignal (4) hinzufügt, als sie in einer tatsächlichen Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung enthalten sind, wobei die hinzugefügten Signalanteile (18) nicht aus der tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers generiert werden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung (10) die Signalanteile (18) mit den zusätzlichen Frequenzen und/oder Phasen aus einem invertierten Modell (17) der Luftresonanz bestimmt, das beschreibt, wie die jeweilige Lenkeinrichtung zusätzlich angesteuert werden muss, damit es bei dem aktuellen Ansteuersignal nur die gewünschte Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung der jeweiligen Lenkeinrichtung aber keine Schwingungen hervorruft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung (10) eine Adaptiereinrichtung (16) aufweist, die das invertierte Modell (17) unter Berücksichtigung einer tatsächlichen Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung, die von der mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') angesteuerten Lenkeinrichtung bewirkt wird, adaptiert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung (10) das Modell mit Hilfe eines Kalman-Filters (13) erstellt, das die Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung mit dem modifizierten Ansteuersignal (4'') abgleicht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalman-Filter (13) eine erwartete Übertragungsfunktion mit einer tatsächlichen Übertragungsfunktion zwischen dem modifizierten Ansteuersignal (4'') und der Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung abgleicht.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Signalmodifizierungseinrichtung (10) eine Rückkopplungseinrichtung (12) vorgesehen ist, die vor dem Modifizieren des Ansteuersignals (4) mit der Signalmodifizierungseinrichtung (10) die negativ proportionalverstärkte tatsächliche Änderung (8) der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in der Wirkrichtung zu dem Ansteuersignal (4) hinzufügt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkeinrichtung das Quersteuer des Hubschraubers (2) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmodifizierungseinrichtung (10) das Ansteuersignal (4) für die Lenkeinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal (24, 34, 44) für mindestens eine weitere Lenkeinrichtung oder von einer tatsächlichen Änderung der Ausrichtung des Hubschraubers (2) in einer Wirkrichtung einer weiteren Lenkeinrichtung modifiziert.