Modellierung und Systemidentifizierung

Fachbuch zur Systemidentifizierung von Luftfahrzeugen von Ravindra V. Jategaonkar (2006)

Das Institut für Flugsystemtechnik hat eine lange Tradition in der Modellierung und Systemidentifizierung zur flugmechanischen Bewertung von Luftfahrzeugen. Das im Jahr 2006 von der AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA) veröffentlichte Fachbuch zur Systemidentifizierung von Luftfahrzeugen von Dr. Jategaonkar fasst diese Arbeiten zusammen. In den letzten acht Jahren wurden signifikante Fortschritte auf diesem Gebiet erreicht. Das Spektrum der Anwendungen reicht von Verkehrsflugzeugen, Hubschraubern, Kunstflugzeugen, Raumgleitern, Fallschirmsystemen bis hin zur Systemidentifizierung von Störungsphänomenen, wie Wirbelschleppen und deren aerodynamische Interaktion mit dem Luftfahrzeug. Mit diesem Wissen lassen sich spezielle Fragen zur Flugmechanik, wie die Leistungsfähigkeit modernen Militärtransporter und hoch fliegender unbemannter Solarfluggeräte beantworten.

Was ist Systemidentifizierung?

Die Systemidentifizierung ist ein Verfahren zur Ermittlung eines mathematischen Modells eines dynamischen Systems aus Versuchsdaten. Solch ein Modell besteht üblicherweise aus einer Modellstruktur (mathematische Gleichungen) und den Parametern dieser Gleichungen. Ziel einer Systemidentifizierung ist sowohl die Bestimmung der Struktur als auch der Werte der Parameter, wobei die Bestimmung der Parameter üblicherweise als Parameterschätzung bezeichnet wird.

Erster Schritt einer Systemidentifizierung ist die Erzeugung der Versuchsdaten, d. h. die Spezifikation und Durchführung geeigneter Manöver und die Aufzeichnung der benötigten Messsignale (Ein- und Ausgänge des zu identifizierenden Systems). Die Modellstruktur wird zumindest im Bereich der Flugzeugidentifizierung normalerweise nicht automatisch identifiziert, sondern wird vorgegeben und ggf. iterativ modifiziert, falls die vorgegebene Struktur unzureichend ist für die geforderte Modellqualität. Deshalb ist der zweite Schritt einer Systemidentifizierung die Vorgabe einer geeigneten Modellstruktur und von Anfangswerten der zu identifizierenden Parameter. Dritter Schritt ist die Bestimmung der Modellparameter durch den Computer mit Hilfe einer Parameterschätzmethode. Hierzu wird das mathematische Modell in einer Simulationsrechnung durch die im Versuch aufgezeichneten Eingangssignale angeregt. Die resultierenden Ausgangssignale werden mit den Versuchsdaten verglichen und eventuell vorhandene Fehler werden von einem Optimierungsalgorithmus durch Variation der zu identifizierenden Parameter minimiert. Wegen der vier Ms

• Manöver
• Messungen
• Methoden
• Modelle

wird dieses Vorgehen auch als Quad-M-Ansatz bezeichnet.

Der Schwerpunkt in den achtziger und neunziger Jahren war die Methodenentwicklung, die heute weitgehend abgeschlossen ist. Seit mehr als 10 Jahren liegt der Schwerpunkt in den Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen, z. B. aerodynamische Datenbasen für Flugsimulatoren, Unterstützung der Flugerprobung und Flugbereichserweiterungen in der Zulassungsphase, Störgrößen wie Wirbelschleppe und Turbulenz sowie Automobilanwendungen.

Anwendungsspektrum der Systemidentifizierung am Institut für Flugsystemtechnik 2001 bis 2008