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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zum aktiven
Verringern von Schwingungen in einem Luftfahrzeug oder einem Flugkörper, mit
einer Rückführregelungseinrichtung,
die anhand von Schwingungen in dem Luftfahrzeug oder dem Flugkörper wenigstens
einen Aktor zum Dämpfen
der Schwingungen steuert.
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Derartige
Regelungsvorrichtungen stellen in modernen Luftfahrzeugen sicher,
dass sich Schwingungen, die beispielsweise durch Motoren oder auch durch äußere Einflüsse in dem
Luftfahrzeug angeregt werden, nicht aufgrund von Eigenresonanzen
des Luftfahrzeugs weiter verstärken
können.
Insbesondere bei großen
Luftfahrzeugen lässt
sich ohne derartige Regelungsvorrichtungen unter Flugbedingungen
eine deutliche Schwingungsausprägung
nachweisen. Da solche Strukturschwingungen das Material des Luftfahrzeugs
zusätzlich
belasten, besteht ein großes
Interesse an einer Unterdrückung
dieser Strukturschwingungen.
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In
der
DE 198 41 632
C2 ist ein Verfahren zum Kompensieren von Strukturschwingungen
eines Flugzeugs offenbart, das aus einem Flugregelsystem, Stellantrieben
zur Bewegung von Steuerflächen und
einer Trägheitssensorik
in Verbindung mit dem Flugverhalten des Luftfahrzeugs einen Regelkreis aufbaut.
Dazu werden die Strukturschwingungen mittels zumindest einer in
der Trägheitssensorik
ermittelten Drehrate messtechnisch erfasst und die Drehrate dem
Flugregelsystem zugeführt.
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Das
Flugregelsystem erzeugt anschließend phasen- und amplitudengerechte
Steuerklappenbewegungen, um die Phasen und Amplituden der angeregten
Schwingungen zu minimieren.
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Weiter
sind aus dem Stand der Technik Böensensoren
bekannt, die einen Anhaltspunkt für äußere Einwirkungen auf das Luftfahrzeug
geben, welche das Flugverhalten und Strukturschwingungen beeinflussen
können.
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So
ist in der US 2002/0171563 A1 ein System zur direkten Erfassung
von Luftverwirbelungen an Flugzeugen gezeigt. Das System ist insbesondere dazu
geeignet, asymmetrische verwirbelte oder turbulente Luftströmungen zu
erfassen, wie sie von Wirbelschleppen oder ähnlichen gefährlichen
Erscheinungen verursacht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur wirksameren
Vermeidung oder Verminderung an Strukturschwingungen in einem Luftfahrzeug
zu schaffen, Zur Lösung
dieser Aufgabe wird gemäß Schutzanspruch
1 eine Regelungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die
eine Vorsteuerregelungseinrichtung hat, welche wenigstens einen
Sensor zum Feststellen von Einwirkungen, die Strukturschwingungen
anregen können,
aufweist, und die ein zusätzliches
Regelsignal zum Gegensteuern durch die Aktoren liefert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung
hat den Vorteil, dass externen Anregungen entgegengesteuert werden
kann, bevor sie in dem Körper
des Luftfahrzeugs Strukturschwingungen anregen können. Folglich wird der Körper des
Luftfahrzeugs mechanisch entlastet und somit die Lebensdauer sowie
die Verkehrssicherheit erhöht.
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In
der nicht veröffentlichten
und damit nicht zum Stand der Technik gehörenden europäischen Patentanmeldung
06 001 510 wird eine adaptive Vorsteu erregelung beschrieben. Es
wird für
weitere Einzelheiten auf diese Druckschrift verwiesen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nutzt eine solche Vorsteuerregelung
kombiniert mit einer Rückführregelung.
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Vorteilhaft
ist der Sensor als Böensensor ausgebildet.
Dies ergibt den Vorteil, dass die häufigste äußere Einwirkung auf Luftfahrzeuge,
nämlich Windböen, von
der Regelungsvorrichtung erkannt werden können.
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Der
Sensor kann ein induktiver Sensor sein.
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Bevorzugt
ist der Sensor ein kombinierter Anstellwinkel- und Böensensor.
Die Zahl der Öffnungen
in der Außenhaut
des Luftfahrzeugs und somit die Zahl der aerodynamisch ungünstigen
Stellen an der Außenhaut
des Luftfahrzeugs wird dadurch reduziert, da nur noch ein einzelner
Sensor zur Messung des Anstellwinkels und der Böenstärke benötigt wird. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass die Zahl der Systeme, die ausfallen können, reduziert
und somit die Zuverlässigkeit
insgesamt verbessert wird.
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Die
Vorsteuerregelungseinrichtung weist bevorzugt einen „Infinite
Impulse Response Filter" (IIR) oder
einen Finite Impulse Response Filter" (FIR) auf.
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Der
IIR- oder FIR-Filter kann adaptiv ausgeführt sein.
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Vorteilhaft
weist die Regelungsvorrichtung eine Additionsvorrichtung zur Addition
der Regelsignale der Rückführregelungseinrichtung
und der Vorsteuerregelungseinrichtung auf, die ein Ansteuerungssignal
für die
Aktoren bereitstellt. Dadurch werden die Reglerelemente der Rückführregelungseinrichtung
und der Vorsteuerregelungseinrichtung so kombiniert, dass nurmehr
ein ein zelner Regelkreis zur Dämpfung
von Strukturschwingungen und gleichzeitig zur Verringerung externer
Einflüsse
notwendig ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Windfahnenelements gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Blockschaltbild eines Regelkreises zur Dämpfung schwingungserzeugender
Einwirkungen auf ein Flugzeug und zur Dämpfung von Strukturschwingungen
in einem Flugzeugkörper;
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3 eine
schematische Ansicht eines berührungslosen
Drehwinkelgebers gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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4 eine
Ausgangsstufe des erfindungsgemäßen Windfahnenelements.
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Ein
Windfahnenelement 10, wie es in 1 gezeigt
ist, weist eine Windfahne 12 auf, die an einer Achse 14 befestigt
ist. Auf der der Windfahne 12 gegenüberliegenden Seite der Achse 14 ist
eine Ausgleichsmasse 16 vorgesehen, deren Gewichtskraft ein
Moment auf die Achse 14 ausübt, das in etwa dem Moment
entspricht, das von der Gewichtskraft der Windfahne 12 auf
die Achse 14 ausgeübt
wird. Die Achse 14 führt
zu einem Drehwinkelaufnehmer 18.
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Der
Drehwinkelaufnehmer 18 misst die Winkelstellung der Achse 14 und
damit indirekt die der Windfahne 12 und stellt das Ergebnis
dieser Messung an seinen Ausgängen 20, 22 zur
Verfügung.
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Ein
Drehwinkelaufnehmer 18 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
Von der Achse 14 springt radial nach außen ein Bügel 24 weg. Der Bügel 24 besteht
aus Metall und taucht je nach seiner Position mehr oder weniger
in den Kern einer Spule 26 ein. Die Spule 26 ist
dazu entlang einer Kreislinie angeordnet.
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Da
der Bügel 24 aus
Metall besteht, ändert sich
durch das Eintauchen des Bügels 24 in
die Spule 26 eine Impedanz Z der Spule.
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Um
aus dieser Impedanzänderung
ein Winkelsignal zu gewinnen, wird die Spule 26 mit der
Anschlussklemme 28 an eine Auswerteeinheit 30 angeschlossen,
wie es in 4 gezeigt ist. Die Auswerteeinheit 30 weist
einen Schwingkreis auf, dessen Frequenz durch die Impedanz Z der
Spule 26 beeinflusst wird. Mittels eines f/U-Konverters
wird aus der erzeugten Wechselspannung ein frequenzunabhängiger Pegel
als Ausgangssignal 32 erzeugt.
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Die
Auswerteeinheit 30 kann dabei sehr schnell auf Veränderungen
der Impedanz Z reagieren, so dass das Ausgangssignal 32 der
Auswerteeinheit 30 der Bewegung der Achse 14 im
Wesentlichen unmittelbar folgt. Das Ausgangssignal 32 wird mit
Hilfe eines Tiefpasses 34 und eines Hochpasses 36 in
einen Gleichanteil 38 (DC) und einen Wechselspannungsanteil 40 (AC)
zerlegt und diese an den Ausgängen 20, 22 bereitgestellt.
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Der
Wechselspannungsanteil 40 kann als Referenzsignal für Böen verwendet
werden, beispielsweise, um einen Vorsteuer-Strukturregler zu betreiben.
Der Gleichanteil 38 kann dazu benutzt werden, den Ansteliwinkel
zu messen.
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Das
Windfahnenelement 10 hat somit den Vorteil, dass es gleichzeitig
sowohl als Böensensor bis
zu hohen Frequenzen (50Hz) als auch als Anstellwinkelsensor verwendet
werden kann.
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Mit
dem aus der Böensensorfunktion
erhaltenen Referenzsignal können
turbulenzinduzierte mechanische Strukturvibrationen sehr effektiv
reduziert werden. Es empfiehlt sich allerdings, eine solche Vorsteuerung
mit einer aktiven Dämpfung
(Rückführregelung)
zu kombinieren, um eine optimale Reduktion von sowohl böeninduzierten
als auch von manöverinduzierten
Strukturschwingungen zu erreichen.
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Um
dies zu erreichen, wird zur Steuerung der Aktoren des Luftfahrzeugs
unter anderem ein Regelkreis verwendet, wie er in 2 gezeigt
ist. Der Regelkreis weist dabei eine Rückführregelungsvorrichtung 44 und
eine Vorsteuerregelungseinrichtung 46 auf. Im Bereich der
Rückführregelungsvorrichtung 44 werden
von einem Sensor des Luftfahrzeugs 48 Strukturschwingungen
gemessen und in Form des Messwerts 50 an den robusten Rückführregler 52 weitergegeben.
Der Rückführregler 52 errechnet
aus den Messwerten 50 Steuerungssignale 54 für Aktoren
des Luftfahrzeugs 48, die dazu geeignet sind, Strukturschwingungen
des Luftfahrzeugs 48 zu verringern.
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Der
Vorsteuerregelungseinrichtung 46 wird der Wechselspannungsanteil 40 des
Windfahnenelements 10 übergeben
und in ein Filter 56 mit unbeschränkter Impulsantwort (IIR) eingegeben.
Das IIR-Filter 56 errechnet aus seinen Eingangssignalen Steuerungssignale 58,
die Aktoren des Luftfahrzeugs 48 so steuern, dass der Einfluss
der gemessenen Böen
und Turbulenzen auf das Luftfahrzeug 48 minimiert wird.
Das Filter 56 kann auch als FIR-Filter ausgebildet sein.
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In
einem Mischer 60 werden die Steuerungssignale 54, 58 von
Rückführregler 52 und
IIR-Filter 56 addiert und als Regelsignal 64 an
das Luftfahrzeug 48 weitergegeben.
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Somit
ergibt sich das Regelsignal „Control
Input" 64 (zum
Beispiel Ansteuerung von Rudern und Klappen des Flugzeugs) aus einer
Addition eines Vorsteuer- und eines Rückführsignals. Der Vorsteuerregler
(IIR-Controller oder FIR-Controller, sinnvollerweise adaptiv ausgeführt) erhält das Referenzsignal
zum Beispiel aus dem AC-Anteil des Alpha-probe signal (Anstellwinkelsignal).
Das Rückführsignal stammt
aus dem „inner
control loop" (Rückführregelungseinrichtung 44)
mit dem robusten Rückführregler 52 („robust
feedback controller"),
der wiederum sein Eingangssignal aus den Sensorsignalen (Messwert 50,
zum Beispiel Beschleunigungssensoren an der Flugzeugstruktur) bezieht.
Ziel der kombinierten Rückführ-/Vorsteuerregelung
ist es, Störungen 66 jeglicher
Art, die Strukturschwingungen verursachen, zu kompensieren. Das
heißt,
der Messwert 50 (Messung von Strukturschwingungen) wird
minimiert.
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Strukturmoden
von Flugzeugen werden durch Böen
und turbulente Atmosphäre
während
des Fluges angeregt. Das belastet die Struktur und verschlechtert
das Flugverhalten. Stand der Technik ist es, diese Strukturmodem
aktiv durch Rückführregelung
zu bedämpfen.
Nachdem ein geeignetes Referenzsignal zur Verfügung steht, das die Böen misst, können die
Strukturvibrationen allerdings wesentlich effizienter reduziert
werden.
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Die
Windfahne 12 mit Ausgleichsmasse 16 folgt den
Richtungsänderungen
der Anströmung
(Böen und
Turbulenzen) und dreht dabei die Achse 14. Diese Achse 14 ist
mit dem induktiven Drehwinkelaufnehmer 18 verbunden, der
praktisch widerstandslos, ohne Zeitverzug und mit sehr hoher Auflösung den
Drehwinkel bis zu höheren
Frequenzen misst. Das Signal wird in einen Gleichanteil (DC) und
einen AC-Anteil zerlegt. Der AC-Anteil wird als Referenzsignal für die Böen verwendet
(um einen Vorsteuer-Strukturregler zu betreiben). Der DC-Anteil
kann dazu benutzt werden, den Anstellwinkel zu messen (parallele
Nutzung als Anstellwinkelsensor).
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Rückführregelungen
zur aktiven Strukturdämpfung
reduzieren zwar Schwingungen jeglicher Anregung, sind aber in ihrer
Leistung begrenzt. Vorsteuerregelungen sind bei der Reduktion böeninduzierter
Strukturschwingungen sehr effektiv, können aber zum Beispiel piloteninduzierte
Strukturschwingungen nicht reduzieren. Die Kombination einer (sinnvollerweise
adaptiven) Vorsteuerregelung mit einer robusten Rückführdämpfung führt zu einer
sehr hohen Regelgüte
und erlaubt die optimale Reduktion von Böen-, Manöver- und sonst wie (zum Beispiel Nutzlastabwurf-)
induzierten Strukturschwingungen bei Flugzeugen.
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Die
Erfindung erlaubt die optimale Reduktion von Böen-, Manöver- und Nutzlastabwurf-induzierten Strukturschwingungen
bei Flugzeugen in allen Bereichen der Flugenveloppe.
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Die
vorliegende Erfindung vereinfacht die Auslegung des Regelsystems,
da gegebenenfalls bei der Adaption der Vorsteuerung das aktiv rückführbedämpfte Luftfahrzeug
berücksichtigt
werden kann. Die Optimierung der Rückführregelung kann somit getrennt
erfolgen, wobei anschließend
die Vorsteuerregelung adaptiert werden kann. Eine gleichzeitige Optimierung
von Rückführ- und
Vorsteuerregelung ist nicht notwendig.
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Das
vorliegende Windfahnenelement 10 wirkt als Böensensor,
der dazu geeignet ist, ein entsprechendes Referenzsignal bereit
zu stellen, und erlaubt in Verbindung mit der Regelungsvorrichtung 42 eine
wesentliche Reduzierung der Strukturschwingungen.
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Die
Erfindung kann ebenso für
die Kompensation von Starrkörperschwingungen
verwendet werden, wie sie insbesondere in Nurflügelflugzeugen und kleinen Fluggeräten wie
beispielsweise Drohnen und Marschflugkörpern auftreten. Die Starrkörpermoden
solcher Fluggeräte
werden insbesondere durch Böen
und Turbulenzen stark angeregt.
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Für weitere
Einzelheiten hinsichtlich einer genaueren Ausbildung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung zur Verminderung von dynamischen Strukturlasten
auf ein Luftfahrzeug wird auf die nicht vorveröffentlichte PCT-Anmeldung ensprechend
der EP-Anmeldenummer
EP 06
001 510.4 verwiesen. Es ist besonders bevorzugt, die hier
beschriebenen Elemente bei einem solchen Verfahren und einer solchen
Vorrichtung einzusetzen und entsprechend einer solchen Verwendung
auszubilden.
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- 10
- Windfahnenelement
- 12
- Windfahne
- 14
- Achse
- 16
- Ausgleichsmasse
- 18
- Drehwinkelaufnehmer
- 20
- Ausgang
- 22
- Ausgang
- 24
- Bügel
- 26
- Spule
- 28
- Anschlussklemme
- 30
- Auswerteeinheit
- 32
- Ausgangssignal
- 34
- Tiefpass
- 36
- Hochpass
- 38
- Gleichanteil
- 40
- Wechselspannungsanteil
- 42
- Regelungsvorrichtung
- 44
- Rückführregelungseinrichtung
- 46
- Vorsteuerregelungseinrichtung
- 48
- Luftfahrzeug
- 50
- Messwert
- 52
- Rückführregler
- 54
- Steuerungssignale
- 56
- Filter
- 58
- Steuerungssignale
- 60
- Mischer
- 64
- Regelsignal
- 66
- Störungen
- Z
- Impedanz