Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt neue Methoden fehlertoleranter Regelung (FTC) mittels modell-prädiktiver Regelungsverfahren (MPC) zur Flugbahnfolge. Frühere Arbeiten haben einen MPC mit begrenztem Vorhersagehorizont angewendet, um die Rekonfigurationsfähigkeit und Fehleranpassung im Fall der Fehlfunktion eines Stellgliedes zu gewährleisten. Diese Arbeit schlägt die Anwendung von modernen MPC Formulierungen mit unbegrenztem Vorhersagehorizont vor und untersucht im Speziellen zwei Versionen von beschränkten modell-prädiktiven Reglern mit unbegrenztem Vorhersagehorizont (CIHMPC) zur fehlertoleranten Regelung. Erstens wird die Problemstellung betrachtet, ein Flugzeug ausschließlich mit Triebwerken zu steuern. Dazu wird das Flugzeug mit Hilfe eines CIHMPC entlang eines vorher festgelegten Flugpfades gesteuert, der durch geodätische Wegpunkte definiert ist. Es zeigt sich eine zufrieden stellende Manövrierfähigkeit bei vollständiger Ausnutzung der Triebwerksbetriebsbereiche. Zweitens wird eine neuartige Implementierung eines CIHMPC vorgestellt, bei der der Antwort eines Referenzmodells im geschlossenen Regelkreis sogar bei Auftreten von Stellgliedfehlern (im Allgemeinen) gefolgt wird. Die vorgestellte Reglerarchitektur ermöglicht eine Umverteilung des Regelaufwandes auf die funktionsfähigen Stellglieder auf eine stabile Weise unter Berücksichtigung ihrer vordefinierten Begrenzungen. Die Problematik der Bewertung reduzierter Manövrierfähigkeit eines Flugzeuges mit ausgefallenen Steuerflächen wird ebenfalls berücksichtigt. Dazu werden polyedrische Sets, die die verringerte Leistung des Flugzeuges beschreiben in einer Form ermittelt, die zur Nutzung in einer höheren Regelschleife geeignet ist. Außerdem werden die der inneren Regelschleife entsprechenden dynamischen Eigenschaften durch Systemidentifizierungstechniken ermittelt. Weiterhin wird ein begrenztes Flugführungssystem vorgestellt, welches die Begrenzungen der inneren Regelschleife als Eingangseinschränkungen berücksichtigt, um den Übergang zwischen zwei durch Wegpunkte definierten Navigationsteilstrecken zu glätten. Das Flugbahnfolgesystem, bestehend aus begrenztem Führungssystem und dem modellfolge-CIHMPC, wurde im Flugversuch auf der VFW-614 ATTAS (Advanced Technologies Testing Aircraft System) mit simuliertem Querruderausfall demonstriert. Hier konnte eine hinreichende Leistung auf vielfachen Regelungsniveaus mit guter innerer Robustheit gezeigt werden.

    This thesis presents new methods of fault-tolerant control (FTC) using model predictive control (MFC) techniques for trajectory tracking. Previous work has applied a finite prediction horizon MFC to provide reconfigurability and fault accommodation in the case of an effector fault. This thesis proposes the use of infinite horizon MFC formulations and proposes two versions of constrained infinite horizon model predictive control (CIHMPC) for fault-tolerant control. First, the problem of controlling an aircraft solely with the engines is considered and a CIHMPC is proposed to steer the aircraft through a pre-determined path, defined by geodetic waypoints, showing satisfactory maneuverability and full exploitation of the propulsion system up to its limitations. Second, a novel implementation of CIHMPC is proposed where the response of a reference closed-loop model is followed even in the presence of effector faults (in general). The proposed architecture is capable of redistributing, in a stable manner, the control efforts among healthy effectors, respecting its pre-defined limitations. The problem of evaluating the reduced maneuverability of an aircraft with effector faults is also considered and polyhedral sets describing the degraded performance of the vehicle are obtained, in a description suitable for usage in higher level control loops. Moreover, the inner loop equivalent dynamic characteristics are determined through system identification techniques. A constrained guidance system is then proposed that considers the limitations of the inner loop as input constraints, in order to smooth the transition between two consecutive navigation legs defined by waypoints. The trajectory tracking system composed of the constrained guidance and model following CIHMPC, is demonstrated in flight test on the VFW-614 AT-TAS (Advanced Technologies Testing Aircraft System) with simulated aileron fault, demonstrating adequate performance at multiple levels of control and with proper intrinsic robustness.


    Access

    Access via TIB

    Check availability in my library

    Order at Subito €


    Export, share and cite



    Title :

    Trajectory tracking with fault-tolerant flight control system: a model predictive control approach


    Additional title:

    Bahnverfolgung mit einem fehlertoleranten Flugkontrollsystem: Modell eines vorausschauenden Steuerungsverfahren


    Contributors:


    Publication date :

    2009


    Size :

    113 Seiten, Bilder, Tabellen, 85 Quellen


    Remarks:

    S. Anh.)




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English





    Fault-Tolerant Model Predictive Control with Flight-Test Results

    de Almeida, Fabio A. / Leißling, Dirk | AIAA | 2010



    Fault-Tolerant Model Predictive Control with Flight Test Results on ATTAS

    de Almeida, F. / Leissling, D. / American Institute of Aeronautics and Astronautics | British Library Conference Proceedings | 2009


    Fault-Tolerant Model Predictive Control with Flight Test Results on ATTAS

    de Almeida, Fabio / Leissling, Dirk | AIAA | 2009