Modeling and Cyclic Pitch Control of an Experimental Rotorkite Setup
Maher Brahim
Monday, September 19, 2022, 10:00 - 11:00
Room 02-012, Georges-Köhler Allee 102, Freiburg 79110, Germany
In dieser Arbeit geht es um die Modellierung der zyklischen und kollektiven Einstellung von Rotorblättern mithilfe einer Taumelscheibe, aus der eine Regelungsmethode entworfen wird. Hierfür wurde ein Setup eingesetzt. Dieses setzt sich aus einer Taumelscheibe, die die Steuereinstellung der Servomotoren an drei Rotorblätter überträgt, und zwei Drehwinkelsensoren zusammen. Das System wurde mit der Grey-Box-Modellierung identifiziert. Mit einer physikalischen Beschreibung des Setups für die kollektive Blattverstellung hat man eine nicht-lineare Gleichung hergleitet. Durch Messungen wurden die unbekannten Konstanten in der Gleichung minimiert. Außerdem wurde eine Zeitkonstante ermittelt, damit das Zeitverhalten des Modells dem des Setups entspricht. Mit dem identifizierten Modell erreicht man eine gute Beschreibung der Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter während einer von den Servomotoren gesteuerten, kollektiven Blattverstellung. Außerdem eignet sich das identifizierte Modell für die Linearisierung des nicht-linearen Gleichung zur Entwerfung eines Reglers, sowie zur Erstellung eines Simulationsmodells für den ermittelten Regler.
Bei der Entwerfung eines Reglers ist die Wahl intuitiv als Erstes auf das Ziegler-Nichols-Verfahren gefallen, um die Reglerparameter eines Proportional-Integral-Reglers zu bestimmen. Der geschlossene Regelkreis mit diesem Regler weist eine instabile Reaktion auf. Diese wird mit dem durch die Stellgrößenbeschränkung verursachten Wind-Up-Effekt verstärkt. Demzufolge werden die Regelparameter mit einer alternativen Methode eingestellt. Die mit dem PID-Tuner von MATLAB bestimmten Reglerparameter haben eine robuste Reaktion ermöglicht. Dadurch kann die Drehgeschwindigkeit von einem Wert zwischen 650 1/min und 1200 1/min auf 910 1/min mit einer Einstiegzeit innerhalb 2.19s und 3.66 s geregelt werden. Außerdem minimiert dieser Regler die Abweichung der Drehgeschwindigkeit im statischen Bereich.
Im letzten Teil der Arbeit wird der Weg zur Modellierung des Systems für eine Regelung mit zyklischer Blattverstellung vorgestellt. Dabei wird eine mathematische Methode zur Bestimmung der Einstellwinkel der Servomotoren, um die Position sowie die Neigungswinkel der Taumelscheibe festzulegen, vorgestellt. Zudem liefern die in diesem Teil der Arbeit vorgenommenen Messungen einen Aufschluss auf das Verhalten des Systems bei der zyklischen Blattverstellung, vor allem bei der Änderung der Position um die Gierachse. Diese bilden wichtige Bestandteile zur Entwerfung eines Reglers sowohl für die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter, als auch für die Winkeländerung der Rotorachse um die Gierachse
Bei der Entwerfung eines Reglers ist die Wahl intuitiv als Erstes auf das Ziegler-Nichols-Verfahren gefallen, um die Reglerparameter eines Proportional-Integral-Reglers zu bestimmen. Der geschlossene Regelkreis mit diesem Regler weist eine instabile Reaktion auf. Diese wird mit dem durch die Stellgrößenbeschränkung verursachten Wind-Up-Effekt verstärkt. Demzufolge werden die Regelparameter mit einer alternativen Methode eingestellt. Die mit dem PID-Tuner von MATLAB bestimmten Reglerparameter haben eine robuste Reaktion ermöglicht. Dadurch kann die Drehgeschwindigkeit von einem Wert zwischen 650 1/min und 1200 1/min auf 910 1/min mit einer Einstiegzeit innerhalb 2.19s und 3.66 s geregelt werden. Außerdem minimiert dieser Regler die Abweichung der Drehgeschwindigkeit im statischen Bereich.
Im letzten Teil der Arbeit wird der Weg zur Modellierung des Systems für eine Regelung mit zyklischer Blattverstellung vorgestellt. Dabei wird eine mathematische Methode zur Bestimmung der Einstellwinkel der Servomotoren, um die Position sowie die Neigungswinkel der Taumelscheibe festzulegen, vorgestellt. Zudem liefern die in diesem Teil der Arbeit vorgenommenen Messungen einen Aufschluss auf das Verhalten des Systems bei der zyklischen Blattverstellung, vor allem bei der Änderung der Position um die Gierachse. Diese bilden wichtige Bestandteile zur Entwerfung eines Reglers sowohl für die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter, als auch für die Winkeländerung der Rotorachse um die Gierachse