用于重构飞行器、尤其是客机上的阵风和结构载荷的方法技术

一种用于重构飞行器、尤其是客机上的阵风和／或结构载荷的方法，其特征在于如下处理步骤：ａ）基于飞行器的非线性模型形成观测器，所述飞行器非线性模型描述飞行器在所有六个自由度（ＤｏＦ）中的运动以及飞行器结构的弹性运动；ｂ）持续地给所述观测器提供对于描述飞行器状态而言是重要的所有数据和测量结果；ｃ）从所述提供的数据和测量结果通过所述观测器计算阵风速度和结构载荷（动作和阵风载荷）。

Method for reconstructing gusts and structural loads of aircraft, especially aircraft

A method for reconstructing the aircraft, especially on the plane and / or wind load, which is characterized in that the processing steps are as follows: a) observer form the nonlinear model of the aircraft based on the nonlinear aircraft model to describe the aircraft in all six degrees of freedom (DoF) movement of the aircraft structure and elastic motion; b) continuously to the observer is to provide all the data and measurement results are important for describing the state of the aircraft; c) data provided from the measurement results and the calculation by the observer gust velocity and structural loads (action and gust load).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于重构飞行器、尤其^J^上的阵风和/或结构载荷 的方法。
技术介绍
迄今为止，仅能够以有限的程度来反算例如阵风或者湍流的外部影响， 这些外部影响可能导致飞行器、尤其是^的任何位置上的结构载荷的增 加。当然能够对动载荷进行测量，但是不可能推测出摄动或者扰动。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方法，从而能够模拟飞行器上的结构载荷并 能够对其扰动进行重构。特别地，提供一种不仅能在飞行后执行、而且特 别能在飞行期间执行的方法。所述目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。在从属权利要求 中详细说明了本专利技术的所述方法的示例的进一步改进和实施方式。本专利技术的方法的优点是该方法能够在阵风和/或极限动作或者其它扰 动之后作出是否必要对结构进行特殊的检测和/或修理的快速估计。这种可 能性确保了安全标准的提高，将着陆次数和操作成本降到最低，同时增加 了飞行器的利用率。附图说明在下文中将参照附图对本专利技术的所述方法的示例实施方式进行解释。 在图中图l是依据本专利技术的方法的示意图，该方法用于通过^i据本专利技术示例实施方式的观测器来重构飞行器上的阵风和/或结构载荷；图2是飞行器的非线性模型的结构框图，其例如构成图1中的本专利技术 的示例实施方式的观测器的基础；图3是与图l相似的示意图，其示出用于观测器的各个参量如何分配 到飞行器距离(设备)；图4是用在本专利技术方法中的所谓的系统优化工具(SO tool)的图形用 户界面的示意图5是用于观测器测试的simulink模型的屏幕截图6， 7和8示出作为扰动输入参量(细线)的离散阵风的横向速度、 左侧垂直速度或者右侧垂直速度以;SJf见测器的计算值(粗线)；图9， 10和11各示出用于持续湍流的作为扰动输入参量(细线)的横 向H左侧垂直速度或者右侧垂直速度的时间函数以及由观测器得到的 计算值(粗线)；图12， 13和14是根据飞行器模型的规一化跨度或者长度绘制的机翼剪力、水平尾翼或者垂直尾翼上的剪力(细线)以;s^见测器的计算值(粗 线)；图15示出来自于测试飞行的各控制面位置的时间函数；图16示出来自于测试飞行的各输出参量的测量结果的时间函数(细 线)以及观测器的计算值(粗线)；图17, 18和19示出参照图15和16描述的测试飞行的横向阵风速度、 左侧垂直阵风速度或右侧垂直阵风iWL的计算值；图20, 21， 22和23给出了根据参照图15和16描述的测试飞行的靠 近右机^ffl部的剪力、靠fc&机翼根部的弯矩、右侧内部发动机附近的剪 力或者右侧内部发动机附近的弯矩的时间函数(细线)以及由观测器得到 计算值(粗线)；以及图24是飞行器运动的动画截屏、阵风速度(淡色箭头)以及结构载荷 (深色箭头)。具体实施例方式在操作现代商用飞行器时，了解在飞行期间作用在飞行器结构上的内部载荷(弯矩和剪力)是重要的。这些载荷是由飞行员或者电子飞行控制系统(EFCS)指示的动作或者是由飞行器飞行穿越的湍流或者离散阵风 引起的。但是，不能在飞行器的任意期望位置处通过测量来监测这些栽荷。 根据本专利技术，通过可从商用飞行器获得的飞行数据(例如欧拉角，"机身 角速率"，加速度，GPS数据)、控制面的位置并利用飞行器的数学模型的 计算结果来重构这些栽荷。此外，应该通过适当的装置对阵风il^进行估 计以计算由阵风导致的载荷。载荷的重构对于飞行器的操作者具有4艮大的好处。 一个好处来自于对 中间情形一一例如当飞行器穿过剧烈阵风时一一的反应。通过知道飞行器 结构任意位置处的载荷，可以容易地确定载荷是否已经超出了允许的极限 值，如果载荷超出了极限值，则有必要着陆并对结构进行详细检查。如果 在飞行期间就已经可以得到与载荷相关的信息，并且这些信息显示没有出 现临界载荷，则可以避免飞行器的非必要着陆时间。在飞行期间运行载荷重构对于寿命监测系统而言也是重要的，其使得 操作者可以如需地进行检查并优化飞行器结构维护的间隔。可以假设仅当 在飞行器操作期间出现了特定的载荷时才对结构部件进行特别检查。由 此，可以增加检查的间隔、并仅对结构的特定部件进行检查，所以降低了 飞行器的操作成本并提高了飞行器的利用率。此外，应当对作为未知输入参量作用在飞行器上的阵风速度进行估计 以对内部载荷进行重构。根据本专利技术，这应该在以飞行器的非线性数学模 型为基础的观测器的辅助下来进行。为了上述目的，在图1中概略地示出观测器的原理。观测器是飞行器 的并行模型，其由飞行员和EFCS指令控制并由测量结果一一该测量结果 反映所导致的飞行器运动一一校正。通过适当地扩展用于设计观测器的飞 行器模型，可以将作为未知输入参量作用在飞行器上的阵风速度和/或湍流 结合到观测程序中。观测器的输出参量是阵风速度(在下文中仅仅简单地 使用"阵风速度"，但是应当理解为阵风速度、湍流和稳态气流中的其它 摄动)和由阵风(及'湍流等)以及控制面指令引起的结构载荷的估计值或 者计算值。估计的阵风速度是在对飞行器任意期望位置处的结构载荷进行 重构期间的有利的副产品。观测器设计的基础是飞行器的非线性模型。在本文中，在模型中考虑 了飞行器结构的柔性或者弹性特征，以允许对结构任意期望位置处的内部载荷进行重构。通过以所谓的扰动模型来扩展飞行器模型，将未知的横向 和非对称竖直阵风速度共同地考虑为观测器的输入参量。在这里描述的示例模型中，非线性观测器设计成稳态卡尔曼滤波器， 其具有对飞行器的输入和输出参量的噪声过程。通过使观测器估计误差的 平方量函数最小化，非线性参数优化地设计观测器。图2示出了本示例实施方式的非线性飞行器模型的结构。 一组子模型 反映了用于形成飞行器模型的各个原理。在该示例的实施方式中，在基于 MATLAB/Simulink的面向模块的实时模拟环境VarLoads (可变载荷分才斤 环境)中编码飞行器模型。在文献是J. Hofstee， Th. Kier, Ch. Cerulli， (i Looye: A variable, full flexible dynamic response analysis tool for special investigations (VarLOADS)， IFASD 2003， Amsterdam, The Netherlands, June 2003。图2所示的子模型"机械结构"表示飞行器柔性结构的模型。其结合 了具有所有六个自由度(DoF)的刚体的非线性运动方程(EQM)以模拟 多种飞行动作，以及结合了一组用于飞行器结构的弹性运动的线性运动方 程(EQM)。该模型是从三维有P艮元模型得出的，在三维有P艮元模型中， 通过静态缩合降低自由度，因此，网格点分配有相应的点质量。进一步的 模态降阶可以进一步将弹性自由度降低到对被观测的应用而言是重要的 弹性模型的数目。对于随后作为示例考虑的空中客车A340-300，具有最低 频率的前四十个弹性模型包括于所#型中，从而以足够的精度计算位于 柔性结构的网格点之间的观测位置处的载荷。驱动运动方程的外力￡，来 自气流和推动力。在子模型"空气动力学"中模拟来自气流的气动力fr。这些力是由 位于飞行器结构(机身、机翼、尾翼组件等)上的所谓^空气动力学片条 来计算的。这些作用于力上的片条是实际空气速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于重构飞行器、尤其是客机上的阵风和／或结构载荷的方法，所述方法包括如下处理步骤：ａ）基于飞行器的非线性模型形成观测器，所述飞行器非线性模型描述飞行器在所有六个自由度（ＤｏＦ）中的运动以及飞行器结构的弹性运动；ｂ）持续地给所述观测器提 供对于描述飞行器状态而言是重要的所有数据和测量结果；ｃ）从所述提供的数据和测量结果通过所述观测器计算阵风速度和结构载荷（动作和阵风载荷）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔斯本施，赫尔曼亨里希弗赖泽，于尔根尤赛特，卢德格尔默茨，
申请(专利权)人：空中客车德国有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]