ISBN 9783843914901

978-3-8439-1490-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

Steffen Haus
An Extension to Dynamic Inversion for Systems with State and Actuator Constraints

152 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Dissertation wird ein neuer Ansatz zum Umgang mit Aktorbeschränkungen bei der Dynamischen Inversion vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Systemen, deren Jacobi Matrix keinen vollen Rang haben. Solche Systeme benötigen eine Dynamische Erweiterung, um eine Regelung mittels Dynamischer Inversion zu ermöglichen. Pseudo Control Hedging stellt den klassischen Lösungsansatz dar, um Aktorbeschränkungen bei der Regelung mit der Dynamischen Inversion zu berücksichtigen. Der Hauptteil dieser Dissertation behandelt einen neuen Ansatz für die Kombination der Dynamischen Erweiterung mit Pseudo Control Hedging. Dies ermöglicht eine Anwendung der Dynamischen Inversion auf eine neue Klasse von Systemen.

Ein wichtiger Aspekt bei der Umsetzung der vorgeschlagenen Regelungsstrategie ist die Berücksichtigung innerer Zustandsgrößen. Bei vielen technischen Anwendungen müssen diese innerhalb gewünschter Grenzen gehalten werden, um den sicheren Betrieb des Gesamtsystems zu gewährleisten. Dies wird mit Hilfe einer numerischen Optimierung gewährleistet, die einen offline Algorithmus verwendet.

Die Ergebnisse dieser Optimierung werden zur Parametrierung des Reglers der Dynamischen Inversion genutzt. Das Vorgehen stellt sicher, dass der geschlossene Regelkreis das gewünschte Verhalten aufweist.

Die Umsetzbarkeit des vorgeschlagenen Reglerentwurfs wird mit Hilfe einer Hardware-in-the-Loop Simulation eines unbemannten Luftfahrzeugs in Form eines Quadrokopters demonstriert. Dieses System hat eine Jacobi Matrix ohne vollen Rang und weist zudem Aktorbeschränkungen auf. Dadurch werden sowohl eine Dynamische Erweiterung als auch Pseudo Control Hedging für die Umsetzung einer Regelung mittels Dynamischer Inversion benötigt. Zudem werden Beschränkungen von Systemzuständen berücksichtigt. Die Hardware-in-the-Loop Simulation deckt sämtliche Aspekte eines realen Szenarios ab, wie beispielsweise Wind und Sensorrauschen. Zwei verschiedene Szenarien, eine Indoor- und eine Outdoor-Mission werden ausgewertet. Die Effizienz des eingeführten Reglerkonzepts der Dynamischen Inversion wird bewertet und mit der klassischen kaskadierten Regelungsstrategie des Quadrokopters verglichen.