A procedure for reduced-order model based robust aeroelastic control

  • Ein Verfahren zur robusten aeroelastischen Regelung mit Modellen reduzierter Ordnung

Brüderlin, Manuel Pedro; Behr, Marek (Thesis advisor); Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Aufgrund der heute verfügbaren Rechenleistung sind gekoppelte CFD-CSM-Verfahren (Computational Fluid Dynamics - Computational Structural Mechanics) für die aeroelastische Berechnung von Flugzeugen Stand der Technik. Ein solches Verfahren ermöglicht eine sehr genaue Vorhersage aeroelastischer Phänomene. Aufgrund der Komplexität und des Rechenaufwandes ist es jedoch für die Reglerauslegung nicht geeignet. Dafür ist ein vereinfachtes Modell des aeroelastischen Systems erforderlich, das jedoch das wesentliche Systemverhalten erfasst. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein aus der CFD-CSM-Simulation abgeleitetes Reduced-Order Model (ROM) verwendet. Basierend auf dem Input-Output-Verhalten der CFD-CSM-Simulation wird mittels Systemidentifikation ein ROM bestimmt. Mathematisch betrachtet ist das ROM eine Linearisierung der CFD-CSM-Simulation um das stationäre Gleichgewicht. Die Linearisierung ermöglicht die Verwendung gängiger Verfahren zum Reglerentwurf. Ziel des Reglerentwurfs ist Robustheit in sub- und transsonischer Strömung. Daher werden mehrere ROMs, die den gewünschten Bereich abdecken, zum Entwurf verwendet. Für jedes ROM wird mit dem Parameterraum-Verfahren der Stabilitätsbereich des Reglers ermittelt. Die Schnittmenge aller ist dann der Bereich der robusten Stabilität. Aus diesem Bereich wird mit einem Optimierungsansatz ein Satz von Reglerparametern bestimmt. Dabei werden alle ROMs in der Kostenfunktion berücksichtigt. Ziel dieser Optimierung ist es, die Schwingungsdämpfung des aeroelastischen Systems zu erhöhen. Für die Implementierung des ROMs, sowie für den Reglerentwurf wird Matlab verwendet. Der daraus resultierende Regler wird dann von Matlab in die CFD-CSM-Umgebung exportiert und validiert. Das Verfahren wird erfolgreich an drei Testfällen in sub- und transsonischer Strömung verifiziert: einem 2D-Profil, einem elastisch gelagerten Winglet und einer Flügelkonfiguration. Der Schwerpunkt des ersten Testfalls liegt auf der Flatterkontrolle, während die übrigen Fälle sich auf die Verbesserung des dynamischen Verhaltens konzentrieren. Die Regelerstruktur ist so gewählt, dass die drei Regelparameter mit der Verformung, Geschwindigkeit und Beschleunigung korrelieren. Deren Einfluss kann sich mit der Machzahl signifikant ändern. Am wirksamsten ist in allen Testfällen der Geschwindigkeitsparameter. Für die bestmögliche Reglerperformance sind jedoch alle drei Parameter notwendig. Der Vergleich zwischen ROM und CFD-CSM zeigt für alle Testfälle eine sehr gute Übereinstimmung, trotz Nichtlinearitäten aufgrund von Stößen und Strömungsablösung. Dies zeigt auch die Validität des ROM-basierten Reglerentwurfs.

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