Schätzung des Aktuatorzustands sowie der Wirksamkeit von Steuerflächen eines Verkehrsflugzeugs mittels Beobachter- und Smoothingalgorithmen in Echtzeit

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Implementierung eines Zustandsschätzers auf Basis des Kalman Filters und des Rauch-Tung-Striebel Smoothers zur Detektion von Systemfehlfunktionen an Aktuatoren und Steuerflächen eines Verkehrsflugzeugs. Über eine flugmechanische Systemanalyse, das heißt über die Messung des Flugzustands und unter Berücksichtigung des zeitlichen Zusammenhangs von Steuereingriff und Flugzeugantwort, lassen sich Aussagen treffen, welche Faktoren zu dem aktuellen Flugzustand beigetragen haben. Mit Hilfe synthetischer Flugdaten aus einer linearen sowie aus einer nichtlinearen Simulationsumgebung wird das vorgestellte Verfahren validiert und verifiziert. Hierzu werden neben additiver und multiplikativer Fehler weitere Störgrößen wie Sensorrauschen und Turbulenz eingebracht. Während die Detektion additiver Fehler auch unter Einfluss von Turbulenz gute Ergebnisse zeigt, werden die Grenzen der Zustandsschätzung bei Auftreten multiplikativer Fehler deutlich. Es lässt sich zeigen, dass über eine Anpassung der Filterparameter Störeinflüsse wie Sensorrauschen und Turbulenz unterdrückt werden können und diese Anpassung einem Optimierungsproblem unterliegt. Die Modellbildung ist ein weiterer wesentlicher hier betrachteter Aspekt, welcher gerade bei der Anwendug des linearen Verfahrens auf ein nichtlineares System zum Tragen kommt. Über eine geeignete Reduktion der Beobachterordnung lässt sich dabei der Einfluss nichtlinearer Effekte mindern, wobei die Grenzen des Algorithmus weiterhin deutlich sichtbar sind.