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Die Erfindung betrifft eine Aktuatorsteuerung zur Steuerung von wenigstens zwei auf unterschiedlichen Technologien basierenden Aktuatoren beispielsweise einer Steuerfläche eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Aktuatorsteuerungskonzepte bekannt, die dazu dienen, verschiedene Aktuatoren gemeinsam zum Antreiben von beispielsweise Steuerflächen eines Fluggeräts nutzen zu können. So sind beispielsweise Steuerungs-/Regelungskonzepte bekannt, die eine Konfiguration aus Servo-Aktuatoren (EHSA) und elektro-hydrostatischen Aktuatoren (EHA) aufweisen, bei der Differenzdrücke beider Aktuatoren verglichen und über einen PID-Regler auf das Stellkommando der Aktuatoren zurückgeführt werden, um deren Stellkräfte durch Anpassung der Positionierung auszugleichen. Dabei ist es bekannt, eine Totzonenänderung der Steuersignale durchzuführen, wodurch die Reaktionszeit bzw. das Ansprechverhalten des schnelleren Aktuators angepasst wird, so dass Kraftkonflikte beim Anfahren bzw. Bewegen der unterschiedlichen Aktuatoren vermieden werden.
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Ferner sind Systemarchitekturen für eine Ruderansteuerung mit mechanischem Backup bekannt, wobei verschiedene Typen von Hydraulikaktuatoren (wie beispielsweise EHSA, EHA, EBHA) genutzt werden können.
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Die Druckschrift
US 2008/203224 A thematisiert die Integration von elektromechanischen Aktuatoren (EMA) in konventionellen hydraulischen Flugsteuerungssystemen. Das dabei behandelte Problem ist nicht speziell ein Kraftkonflikt im aktiv-aktiv Betrieb beider Technologien, sondern die Vermeidung negativer Eigenschaften des EMA. In aktiv-passiv Konfigurationen würde ein passiver EMA aufgrund seiner Trägheit eine dämpfende Last auf den EHSA ausüben. Dies führt zu Spannungen bzw. zur Torsion in der mechanischen Struktur der Flächenansteuerung, sowie zur erhöhten Leistungsaufnahme des EHSA und zur Induktion von Strömen durch den Motor des EMA. In aktiv-aktiv Konfigurationen könnte es aufgrund externer Lasten zur starken Beanspruchung des EMA kommen. Dies könnte aufgrund technologiebedingter mangelnder Wärmeableitungskapazität zu einer Hitzeentwicklung oder anderen Fehlfunktionen führen. Die Druckschrift beschreibt einen besonderen, als aktiv-standby bezeichneten Betriebsmodus, der durch eine variable Strombegrenzung innerhalb der Steuerungselektronik des EMA umgesetzt wird. Dadurch wird erreicht, dass der EMA der Stellbewegung der Steuerfläche folgt, aber einen geringen Anteil zu ihrer Positionierung (Stellkraft) beiträgt. Nur im Falle großer externer Lasten würde ein Einbrechen der Leistungsfähigkeit des aktiven EHSA zur Fehlpositionierung führen. Dann würde die Strombegrenzung innerhalb der EMA Leistungselektronik angehoben werden, so dass dieser kurzzeitig unterstützend wirken kann.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen besteht der Nachteil, dass dabei lediglich ein statisches Angleichen der Stellkräfte erreicht wird. Dynamische Kraftkonflikte, die während eines Stellvorgangs auftreten, werden nicht betrachtet. Insbesondere bei großen/diskreten Auslenkungen der Steuerfläche ist dies in hybriden Konfigurationen jedoch der dominierende Effekt. Eine geeignete Umsetzung innerhalb von realen Flugsteuerungssystemen geht für das Konzept der Vorsteuerung aus dem Stand der Technik nicht hervor.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Aktuatorsteuerung bereitzustellen, die Kraftkonflikte bzw. statische Kraftkonflikte zwischen unterschiedlichen Aktuatoren bewältigen bzw. minimieren kann.
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Statische Kraftkonflikte werden im Wesentlichen durch die Toleranzen und Ungenauigkeiten innerhalb der Positionierung der Aktuatoren untereinander bestimmt. So führen beispielsweise Fehler in den Positionssensoren (LVDT) zu einer Fehlpositionierung untereinander. Abhängig von der typischerweise proportionalen Regelverstärkung stellt sich eine konstante Kraft ein, mit der die Aktuatoren gegeneinander ihre jeweils gemessene Position anfahren wollen. Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, eine parallel zur Positionierung angeordnete Regelung der Differenzkraft durch Rückführung auf das Stellkommando vorzunehmen. Neben dieser Methode lassen sich Positionierungsfehler auch bei der Bauteilfertigung, dem Einbau und durch Wartung vermeiden bzw. kompensieren.
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Die oben genannten Ursachen für statische Kraftkonflikte betreffen allerdings jede Aktuator-Konfiguration, in welcher mehrere Geräte im aktiven Betrieb arbeiten. In aktiv-passiv Konfigurationen kann es dagegen nicht dazu kommen, dass Aktuatoren aktiv gegeneinander verfahren. Dennoch übt der passive Aktuator über seine Dämpfungscharakteristik eine Last auf den aktiven aus, die abhängig von der Stellgeschwindigkeit in gleicher Größenordnung liegen kann.
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Um den sicheren und effizienten Betrieb von hybriden Aktuator-Konfigurationen zu ermöglichen, unterscheidet der nachfolgend vorgestellte Ansatz zwischen dynamischen Kraftkonflikten, die aufgrund des charakteristischen Eigenverhaltens der Aktuatoren entstehen, und den von Positionierungsfehlern hervorgerufenen statischen Kraftkonflikten. Er nähert sich damit beiden Ursachen auf gezielte Weise. Hierdurch wird eine optimale Leistungsaufteilung der Aktuatoren einer Steuerfläche untereinander gewährleistet.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Aktuatorsteuerung mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aktuatorsteuerung umfasst wenigstens eine Vorsteuerung, die dazu eingerichtet ist, das Eigenverhalten wenigstens eines der Aktuatoren zu kompensieren und wenigstens einem Differenz-Kraft-Regler, der dazu eingerichtet ist, verbleibende Regelabweichungen in der Stellkraft auszugleichen. Die Erfindung ist ferner auf ein Fluggerät mit einer entsprechenden Aktuatorsteuerung und auf ein entsprechendes Verfahren gerichtet.
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Der Differenz-Kraft-Regler kann beispielsweise vom Typ Proportional (P), Integral (I) oder eine Kombination mit Differentialanteil (PID) sein.
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Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem Fluggerät handelt es sich insbesondere um ein Flugzeug.
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Die unterschiedlichen Technologien der Aktuatoren können sich beispielsweise auf hydraulische, elektro-hydraulische, elektrische Antriebe, beliebige Hybridantriebe oder sonstige Antriebstechnologien beziehen. Die verbleibenden Regelabweichungen beziehen sich auf Abweichungen, die von der Vorsteuerung nicht oder nicht hinreichend minimiert werden können. Die Abweichungen können hierbei Abweichungen zwischen den Steuersignalen und/oder Positionssignalen der unterschiedlichen Aktuatoren sein. Diese Abweichungen können ferner Unterschieden bzw. Abweichungen zwischen den von den Aktuatoren bereitgestellten Stellkräften entsprechen.
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Der Begriff der Stellkraft ist vorliegend weit auszulegen und kann Parameter wie die Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Aktuatoren bzw. der entsprechenden Steuerfläche umfassen, welche einen direkt Einfluss auf die Stellkraft haben können.
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In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Aktuatorsteuerung zur Steuerung von genau einer Steuerfläche eingerichtet ist. Hierunter ist zu verstehen, dass mittels der Aktuatorsteuerung eine Mehrzahl bzw. wenigstens zwei Aktuatoren einer einzelnen Steuerfläche angesteuert werden können. Dabei kann das Fluggerät selbstverständlich über mehr als eine einzelne Steuerfläche verfügen, die alle oder zum Teil mittels der erfindungsgemäßen Aktuatorsteuerung gesteuert werden können. Der Begriff der Steuerung ist vorliegend nicht einschränkend zu verstehen und umfasst auch den Sachverhalt, bei dem Regelungsschritte zusätzlich oder alternativ zu Steuerungsschritten vorgenommen werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Vorsteuerung dazu eingerichtet ist, den Aktuatoren ein gemeinsames und insbesondere optimiertes Modellverhalten aufzuprägen. Mit dem Aufprägen eines Modellverhaltens ist vorliegend eine Steuerung/Regelung der Aktuatoren gemeint, die unter Berücksichtigung der Eigenschaften bzw. Charakteristiken insbesondere aller beteiligten Aktuatoren berechnet sein kann. Durch das Aufprägen eines entsprechenden Modellverhaltens kann sichergestellt werden, dass kein Aktuator zu Bewegungen angesteuert wird, die er beispielsweise nur langsamer als ein anderer Aktuator ausführen kann. Da die beiden Aktuatoren über die Steuerfläche miteinander gekoppelt sind, könnte es deshalb ansonsten zu Kraftkonflikten kommen.
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Das Modellverhalten kann in einer besonders bevorzugten Ausführung durch Berechnung von invertierbaren Transferfunktionen aus linearisierten Differentialgleichungen errechnet sein, wobei die Differenzialgleichungen das System der Aktuatoren beschreiben.
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Insbesondere ist es denkbar, dass das gemeinsame Modellverhalten dem Verhalten des schwächsten Aktuators entspricht bzw. dieses berücksichtigt und/oder dass das Modellverhalten einem Modell entspricht, das eine kontinuierliche Trajektorie umfasst, die eine in seiner Spezifikation an das System gestellte Leistungsfähigkeit nicht unterschreitet. Bei dem schwächsten Aktuator kann es sich beispielsweise um den leistungsschwächsten Aktuator und/oder den langsamsten Aktuator und/oder den am langsamsten reagierenden Aktuator handeln. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass schnellere Aktuatoren nicht auch zum schnelleren Betrieb als langsamere Aktuatoren angeregelt/angesteuert werden und dabei Kraftkonflikte schon bei der Ansteuerung der Aktuatoren impliziert werden.
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Der Begriff des Systems kann vorliegend die Aktuatoren, die Steuerfläche und/oder die Steuerelektronik sowie gegebenenfalls die ausgeführten Berechnungen umfassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass eine Begrenzung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Beitrag des Differenz-Kraft-Reglers zum Gesamtsteuerstrom zu begrenzen. Die Begrenzung kann hierbei eine physikalische Komponente umfassen und/oder beispielsweise von einer Programmierung der Aktuatorsteuerung bewirkt werden. Unter dem Beitrag des Differenz-Kraft-Reglers zum Gesamtsteuerstrom kann verstanden werden, dass der Einfluss des Differenz-Kraft-Reglers auf die Steuersignale bzw. auf die Position, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Steuerfläche bzw. des Aktuators oder der Aktuatoren verglichen mit dem Einfluss der Vorsteuerung auf die genannten Parameter begrenzt sein kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Vorsteuerung deterministisch ist und insbesondere durch einen Vergleich mit einem Replikat überwacht ist und/oder für jeden Kanal eindeutig ist. Der Begriff des Kanals kann vorwiegend einen Teil der Aktuatorsteuerung bezeichnen, der der Steuerung eines einzelnen Aktuators dient.
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Die Erfindung ist ferner auf ein Fluggerät, insbesondere ein Flugzeug, mit wenigstens einer Aktuatorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gerichtet, wobei das Fluggerät wenigstens eine Steuerfläche und wenigstens zwei mit der Steuerfläche gekoppelte Aktuatoren umfasst. Die Aktuatorsteuerung und damit auch das Fluggerät können selbstverständlich weitere oder alle Merkmale umfassen, die im Zusammenhang mit der Aktuatorsteuerung genannt sind. Auf eine Wiederholung wird deshalb verzichtet.
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Die Erfindung ist weiterhin auch auf ein Verfahren zur Steuerung von wenigstens zwei auf unterschiedlichen Technologien basierenden Aktuatoren einer Steuerfläche eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs, gerichtet und umfasst die Schritte:
- Regeln/Steuern der Aktuatoren zum Aufprägen eines gemeinsamen Modellverhaltens; und
- Ausgleichen von Regelabweichungen mittels eines Differenz-Kraft-Reglers.
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Der Regler kann beispielsweise als PID-Regler, als I-Regler oder als P-Regler ausgeführt sein.
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Das Verfahren kann ferner in einer besonders bevorzugten Ausführung die Berechnung von invertierbaren Transferfunktionen aus linearisierten Differenzialgleichungen zur Bestimmung bzw. Berechnung des Modellverhaltens umfassen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand von in den Figuren beispielhaft gezeigten Ausführungen erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine beispielhafte Ausführung der Aktuatorsteuerung mit drei unterschiedlichen Aktuatoren;
- 2: eine schematische Darstellung des Signalflusses des erfindungsgemäßen Vorsteuerungskonzepts;
- 3: die funktionale Allokation des Regelungskonzepts innerhalb der Gerätearchitektur; und
- 4: Formeln zu Ausführung der Aktuatorsteuerung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aktuatorsteuerung zur Steuerung von wenigstens zwei auf unterschiedlichen Technologien basierenden Aktuatoren. In der in der 1 gezeigten Ausführung sind hierbei drei unterschiedliche Aktuatoren (EHSA, EMA und EHA) gezeigt. Erfindungsgemäß kann eine beliebige Anzahl von Aktuatoren beliebiger Technologien miteinander gekoppelt bzw. mittels der Aktuatorsteuerung gesteuert werden.
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Wie 1 zu entnehmen ist kann die Aktuatorsteuerung mit dem Flight Control Computern (FCC) gekoppelt sein bzw. wenigstens teilweise auf diesem implementiert sein. Der FCC kann wiederum wie aus dem Stand der Technik bekannt vom Piloten eingegebene Steuerbefehle erfassen bzw. weitergeben. Zur Implementierung der Aktuatorsteuerung können im Bereich der Aktuatoren entsprechende Motorsteuerungelektroniken (MCE) und/oder damit verbundene Remote Electronic Units (REU) vorgesehen sein. Die REU können mit den MCE zur Übertragung von Informationen bezüglich der Rate Command, der Ram LVDT und/oder des Mode Select verbunden sein. Über eine BUS-Verbindung können Informationen bezüglich der Trajectory Command, der Mode Selection und/oder der REU Stage Data zwischen dem FCC und den REU übertragen werden. Mittels des FCC können wiederum Daten zum Direct Control Law, zum Forward Model und/oder zum System/Monitoring bearbeitet werden.
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Der PID-Regler und/oder die Vorsteuerung können wenigstens teilweise auf allen oder auf einen Teil der in 1 gezeigten Komponenten, insbesondere auf dem FCC, den REU und/oder den MCE realisiert sein. Der PID-Regler steckt stellvertretend für einen Differenz-Kraft-Regler und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar.
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Die 1 zeigt eine konkrete Umsetzung des Konzeptes in Flugsteuerungssystemen. Die Art der Umsetzung ist dabei so generisch, dass keine Einschränkung in der Kombination von Technologien bestehen. In 1 ist daher beispielhaft ein Verbund aus EHSA, EHA und EMA in einem solchen Flugsteuerungssystem dargestellt.
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Die erfindungsgemäß reduzierbaren bzw. überwindbaren dynamische Kraftkonflikte entstehen in der Bewegung der Steuerfläche aufgrund descharakteristischen Eigenverhaltens der jeweils zur Verwendung kommenden Aktuatoren. Während im Stellzylinder eines EHSA aufgrund der Kraftverstärkung direkt der volle Systemdruck zur Verfügung steht, ist seine Beschleunigung gegenüber der eines EMA, in dem erst die Getriebe- und Spindelträgheit überwunden werden muss, überlegen. Demgegenüber ist die EMA Stellgeschwindigkeit im Gegensatz zum EHSA weitgehend unabhängig von der externen Last. Nur durch eine Begrenzung des Motorstromes innerhalb der Motor Steuerungselektronik fällt seine Drehzahl bei Maximallast ab. Beim EHSA hingegen wird der Durchfluss des Servoventils und damit die Stellgeschwindigkeit durch das zur Verfügung stehende Druckpotential bestimmt. Im Falle externer Last steigt der Differenzdruck im Stellzylinder, womit der Durchfluss abnimmt.
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Aus diesem Grund ist es zur Vermeidung von dynamischen Konflikten erforderlich, gegebenenfalls abhängig vom Systemzustand (z.B. externer Last), das schwächste Glied des Systems zu kennen, welches sich während eines jeden Stellvorgangs bremsend auswirkt. Wenn, wie erfindungsgemäß vorgesehen, alle beteiligten Aktuatoren eben dieses Stellverhalten aufweisen, können Kraftkonflikte vermieden werden.
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Entsprechend 2 wird nun erfindungsgemäß zunächst versucht das Eigenverhalten des Systems (des Aktuators oder des schwächsten Aktuars bzw. der Aktuatoren) zu kompensieren. Dazu wird das System mit Hilfe von Differentialgleichungen detailliert beschrieben (siehe Formel 1 der 4). Diese werden daraufhin linearisiert, um invertierbare Transferfunktionen zu erhalten (siehe Formel 2 der 4). Damit lässt sich der in 2 als „Feed-Forward Compensation“ bezeichnete Zusammenhang herstellen zwischen der Trajektorie X, die ein Aktuator vollführt, und dem hierzu erforderlichen Steuerstrom Isv. Damit ist es möglich, einen jeden Aktuator so anzusteuern, dass er einem als „Reference Dynamic“ bezeichneten Modellverhalten folgt.
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Da nun jedes physikalische System einer gewissen Trägheit unterworfen ist, muss im nächsten Schritt ein Modellverhalten gefunden werden, welches die maximale Leistungsfähigkeit des gegebenen Systems berücksichtigt. Dies kann zum einen durch Implementierung eines Modells von dem zuvor genannten schwächsten Glied im System geschehen. Zum anderen kann hier ein beliebiges Modell verwendet werden, welches eine kontinuierliche Trajektorie berechnet, die eine in seiner Spezifikation an das System gestellte Leistungsfähigkeit nicht unterschreitet.
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Da das beschriebene Konzept auf Vereinfachung von Modellgleichungen beruht, werden die physikalischen Aktuatoren in ihrer Positionierung trotz Vorsteuerung vom Referenzverhalten abweichen. Diese Abweichungen werden durch den insbesondere parallelen Positionsregler („Controller“) über einen in seiner Autorität begrenzten Beitrag zum Gesamtsteuerstrom kompensiert.
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In 3 ist schematisch dargestellt, wie sich das beschriebene Vorsteuerungskonzept für die in 1 vorgeschlagene Beispielkonfiguration aus EHSA, EMA und EHA umsetzen lässt. Die 3 zeigt die Systemarchitektur und die Allokation von Funktionen der Vorsteuerung/Regelung auf die einzelnen Geräte (FCC, REUs) sowie die Kommunikation untereinander. Details der erfindungsgemäßen Regelung/Steuerung, insbesondere zur Ausgestaltung der REUs sowie zur Signalübermittlung zwischen dem FCC und den REUs über die BUS-Verbindung können teilweise oder vollumfänglich wie in dem in 3 gezeigten Beispiel ausgeführt sein.
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Das beschriebene Konzept ermöglicht die erfindungsgemäße Aufteilung der Aktuatoransteuerung in einen Vorsteuerungspfad und einen Differenzkraft-Regler-Pfad bzw. in eine Vorsteuerung und einen PID-Regler. Die Vorsteuerung bildet den Hauptanteil des Steuerkommandos, während der Kraftregler in seiner Autorität begrenzt ist.
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Die Vorsteuerung ist deterministisch und lässt sich daher durch Vergleich mit einem Replikat (Monitor) überwachen. Sie ist für jeden Kanal eindeutig und es besteht keine Kopplung. Dadurch wird die gewünschte Unabhängigkeit der Kanäle gewahrt, was die größtmögliche Verfügbarkeit ermöglicht.
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Die verbleibende Abhängigkeit der Kanäle durch die Differenzkraftberechnung innerhalb des jeweiligen Kraftreglers wird - verglichen mit konventionellen Ansätzen, die sich ausschließlich auf Kraftregelung stützen - in ihrem Einfluss minimiert. Dadurch verbessert sich die Überwachbarkeit des Systems gegenüber anderen Konzepten.
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Dies ermöglicht gegebenenfalls im Falle einer Fehlfunktion die vollständige Separierung der Kanäle (Deaktivierung der Kraftrückführung), welche mit einer unwesentlichen Performancereduktion einhergeht.
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Das Neuartige dieses Ansatzes ist die Verwendung einer Vorsteuerung in Kombination mit einem Differenzkraft-Regler zur Kommandierung einer Flugzeug-Steuerfläche, sowie die Systemarchitektur hinter diesem Regelungskonzept.
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Analog zur Berechnung der Stellkommandos nach den Vorgaben des Flight Control Law übernimmt der Flugsteuerungsrechner (FCC) nun zusätzlich die kontinuierliche Berechnung eines optimierten Modellverhaltens für die betreffende Steuerfläche. Diese Verhalten ist charakterisiert durch ein dynamisches Bewegungsprofil (Trajektorie), bestehend aus Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignalen über der Zeit, welches an die untergeordnete Positionierungs-Elektronik (REU) übergeben wird. Jede REU bildet mit seinem ihm zugeordneten Aktuator einen separaten Steuer-Kanal und/oder kann den PID-Regler umfassen. Auf ihr wird der Positionsregelkreis geschlossen und das jeweilige Aktuator-Eigenverhalten kompensiert, wobei jedem einzelnen Aktuator das vom FCC vorgegebene Modellverhalten aufgeprägt wird. Diese beschriebenen Funktionen werden unabhängig, d.h. ohne oder nur mit teilweise Kopplung der REUs untereinander, ausgeführt. Eine solche architekturgegebene Unabhängigkeit ist im Hinblick auf die Zertifizierbarkeit für die primäre Flugsteuerung besonders erstrebenswert.
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Der zusätzlich vorgesehene Differenzkraftregler ermöglicht eine weitere Verbesserung des Kraftkonfliktverhaltens. Hierfür wird eine geringe Aufweichung der Unabhängigkeit in Kauf genommen. Verglichen mit anderen Lösungsansätzen, wird durch die Kombination mit der Vorsteuerung nur eine geringe Autorität für die Regelung benötigt, wodurch der Einfluss des abhängig generierten Kommandoanteils minimiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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