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FitlabGui Datenanalyse, Systemidentifizierung und Flugeigenschaftsbewertung Susanne Seher-Weiß Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Flugsystemtechnik > MATLAB Expo > Seher-Weiß FitlabGui > 2. Juli 2019 DLR.de Folie 1

FitlabGui Datenanalyse, Systemidentifizierung und … · FitlabGui –Datenanalyse, Systemidentifizierung und Flugeigenschaftsbewertung Susanne Seher-Weiß Deutsches Zentrum für

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  • FitlabGui – Datenanalyse, Systemidentifizierung und

    Flugeigenschaftsbewertung

    Susanne Seher-Weiß

    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

    Institut für Flugsystemtechnik

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 1

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 2

    Überblick

    • Motivation und Programmhistorie

    • Datenschnittstelle

    • Frequenzgangerzeugung

    • Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Frequenzbereichsdaten

    • Systemidentifizierung

    • Maximum Likelihood und Frequency Response Methode

    • nichtlineare, lineare und Polynom-Modelle

    • Flugeigenschaftsanalyse (Hubschrauber)

    • quantitative Kriterien

    • Mission Task Element (MTE) Plots

    • Zusammenfassung

  • Motivation

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 3

    • Erste Programmversion vor 20 Jahren

    • Einfache Weiterverarbeitung der Ergebnisse in MATLAB

    • Ergänzung des FORTRAN-Tools

    Systemidentifizierung

    • Ersatz für FORTRAN-Tool bei Einsatz vor Ort (Flugversuche)

    • Grafische BenutzeroberflächeDatenanalyse

    • Separates Tool wurde nicht mehr gepflegt

    • Einzelne Funktionalitäten schon integriertFlugeigenschaften

  • Programmhistorie

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 4

    Flugversuchsdaten

    Daten-

    vorverarbeitung

    Frequenzgang-

    erzeugung

    System-

    identifizierung

    Daten-

    visualisierung

    Flugeigenschafts-

    analyse

    HATFITLABmDIVA

    HHQTools

    FitlabGui

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 5

    Datenschnittstelle

    Datenformate:

    • Zeitbereichsdaten

    • R-CDF, mat-Dateien, ASCII, Excel

    • benutzereigene Importroutine

    • Auswahl über Datenbank

    • Frequenzgänge

    • gemessen: FRD-Objekte

    • analytisch: TF- oder ZPK-Objekte

    Datenvorverarbeitung:

    • Einheitenkonvertierung: über 25 vordefinierte

    Umrechnungen

    • Kanalarithmetik: beliebige Berechnungen

    • Frequenzgänge: integrieren oder differenzieren

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 6

    Datenschnittstelle

    • Manöverdatenbank

    • als Struktur angelegt

    • kann in FitlabGui erzeugt werden

    • numerische Informationen

    (z.B. Höhe, Geschwindigkeit)

    • Textinformationen

    (z.B. Manöverart, Bemerkungen)

    • kombinierte Filterung nach allen

    Informationen

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 7

    Frequenzgangerzeugung

    Frequenzgang

    • beschreibt die Systemantwort in Amplitude und Phase

    als Funktion der Anregungsfrequenz

    • charakterisiert das Eingangs-Ausgangsverhalten

    vollständig (nichtparametrisches Modell)

    Methoden

    • klassische Methode mit Segmentierung, Fensterung

    und MISO (multi-input single-output) Konditionierung

    in zwei Varianten

    • Local Polynomial Methode

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 8

    Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Quick Plot

    • Report Plot

    • Cross Plot

    • Frequenzgänge

    • Quick Bode Plot

    • Report Bode Plot

    • Spectral Plot

    • Mismatch Envelope Plot

    • Frequenzbereichsdaten

    • Quick Plot Frequency Domain

    • Report Plot Frequency Domain

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 9

    Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Quick Plot

    • Report Plot

    • Cross Plot

    • Frequenzgänge

    • Quick Bode Plot

    • Report Bode Plot

    • Spectral Plot

    • Mismatch Envelope Plot

    • Frequenzbereichsdaten

    • Quick Plot Frequency Domain

    • Report Plot Frequency Domain

    -5

    0

    5

    col3211b col3211d ped3211a ped3211c

    COB_the0 [%]

    COB_thep [%]

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    0.5

    1

    1.5

    FI0_nro [%]

    Omega [%]

    0 5 10 15 20 25 30 35 40

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    t in s

    dOmega [%]

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 10

    Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Quick Plot

    • Report Plot

    • Cross Plot

    • Frequenzgänge

    • Quick Bode Plot

    • Report Bode Plot

    • Spectral Plot

    • Mismatch Envelope Plot

    • Frequenzbereichsdaten

    • Quick Plot Frequency Domain

    • Report Plot Frequency Domain 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60-50

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    AD2_TAS

    de

    lta

    _P

    S2

    delta_PS2 vs. AD2_TAS

    a_0=23.3818 a_1=-3.0762 a_2=0.134986 cost=287.104

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 11

    Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Quick Plot

    • Report Plot

    • Cross Plot

    • Frequency Responses

    • Quick Bode Plot

    • Report Bode Plot

    • Spectral Plot

    • Mismatch Envelope Plot

    • Frequenzbereichsdaten

    • Quick Plot Frequency Domain

    • Report Plot Frequency Domain

    -45

    -40

    -35

    -30

    Ma

    gn

    itu

    de

    [d

    B]

    -200

    -150

    -100

    -50

    Ph

    as

    e [

    de

    g]

    q_dx

    q/x

    10-1

    100

    101

    0

    0.5

    1

    Co

    he

    ren

    ce

    Frequency [rad/s]

    -40

    -30

    -20

    -200

    -100

    0

    100

    p_dy

    p/y

    10-1

    100

    101

    0

    0.5

    1

    Frequency [rad/s]

    -60

    -40

    -20

    Ma

    gn

    itu

    de

    [d

    B]

    -500

    -400

    -300

    -200

    Ph

    as

    e [

    de

    g]

    r_dp

    r/p

    10-1

    100

    101

    0

    0.5

    1

    Co

    he

    ren

    ce

    Frequency [rad/s]

    -30

    -20

    -10

    0

    50

    100

    150

    200

    az_d0

    az/

    0

    10-1

    100

    101

    0

    0.5

    1

    Frequency [rad/s]

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 12

    Datenvisualisierung und -analyse

    • Zeitbereichsdaten

    • Quick Plot

    • Report Plot

    • Cross Plot

    • Frequency Responses

    • Quick Bode Plot

    • Report Bode Plot

    • Spectral Plot

    • Mismatch Envelope Plot

    • Frequenzbereichsdaten

    • Quick Plot Frequency Domain

    • Report Plot Frequency Domain

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15

    20

    Ma

    gn

    itu

    de

    Err

    or

    [dB

    ]

    10-1

    100

    101

    -100

    -50

    0

    50

    100

    150

    Ph

    as

    e E

    rro

    r [d

    eg

    ]

    Frequency [rad/s]

    q/_x

  • Systemidentifizierung

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 13

    𝑢 +

    𝑧

    𝑦

    ∆→ 0

    Bestimme die Modellstruktur und die Modellparameter 𝜑 so, dass eine optimale Übereinstimmung von Modellantwort 𝑦 und gemessener Systemantwort 𝑧 erreicht wird.

    Dynamisches System

    Modell

    ሶ𝑥(𝑡) = 𝑓 𝑥 𝑡 , 𝑢 𝑡 , 𝜑

    𝑦 𝑡 = 𝑔 𝑥 𝑡 , 𝑢 𝑡 , 𝜑

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 15

    Systemidentifizierung – Modelle

    • benutzerdefiniertes m-File oder C++-File

    • liefert Ausgangsvektor als Funktion der Zeit, der Eingänge und der unbekannten Parameter

    • kann Aufruf von Simulink-Modell enthalten

    Nichtlineare Modelle

    • benutzerdefiniertes m-File

    • liefert Systemmatrizen und ggf. Totzeiten als Funktion der unbekannten Parameter

    • Simulation mit Control System Toolbox

    Lineare Modelle

    • direkt über ein Panel definiert

    • Zähler-/Nennerpolynom oder Pole/Nullstellen

    • Behandlung mit Control System Toolbox

    Polynommodelle für Übertragungsfunktionen

  • Systemidentifizierung – Methoden und Optimierung

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 16

    • Zeitbereich: Minimierung der Fehler in den Ausgangsgrößen

    • Frequenzbereich: Anpassung der Ausgangsspektren

    Maximum Likelihood Methode

    • Anpassung von Frequenzgängen

    • Minimierung der Amplituden- und Phasenfehler

    • optionale Kohärenzgewichtung

    Frequency Response Methode

    • Gauß-Newton oder Subplex Verfahren

    • Optimization Toolbox (wenn vorhanden)Optimierung

  • Systemidentifizierung – Anwendungsbeispiele

    > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 17

    Segelflugzeug

    ACT/FHS ModellFallschirm

    Pilot

    100

    101

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15Longitudinal

    Frequency, rad/s

    Ma

    gn

    itu

    de

    , d

    B

    100

    101

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15Lateral

    Frequency, rad/s

    Ma

    gn

    itu

    de

    , d

    B

    100

    101

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15Directional

    Frequency, rad/s

    Ma

    gn

    itu

    de

    , d

    B

    low

    medium

    high

    100

    101

    -20

    -15

    -10

    -5

    0

    5

    10

    15Vertical

    Frequency, rad/s

    Ma

    gn

    itu

    de

    , d

    B

    TurbulenzWirbelschleppen

    Raumgleiter

    Sidestick

    Hubschrauber

    Tragschrauber

    Flächenflugzeuge

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 18

    Flugeigenschaftsanalyse (Hubschrauber)

    Quantitative Kriterien (ADS-33)

    • Bandbreite

    • Dynamische Stabilität

    • Attitude Quickness

    • Large Amplitude

    • Spiral Stability

    • Height Response

    • Torque Response

    • Pitch due to Collective

    • Yaw due to Collective

    • Pitch-Roll Coupling

    • Roll-Sideslip Coupling

    Mission Task Element Plots

    • Hover

    • Vertical Maneuver

    • Lateral Reposition

    • Depart/Abort

    • Hovering Turn

    • Slalom

    • Pirouette

    • Load Placement

    Extra Routinen

    • RMS / Cutoff Frequency

    • Attack Parameter

    Nicken/Rollen/

    Gieren

    Vertikal-

    bewegung

    Kopplungen

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 19

    Flugeigenschaftsanalyse – Quantitative Kriterien

    • Panel zur Auswahl von

    • Achse, Geschwindigkeit, Regler, …

    • ggf. Methode

    • Daten (Zeitbereich oder Frequenzgänge)

    • Ergebnisse

    • numerische Ergebnisse in

    FitlabGui Fenster und Logdatei

    • Plots mit Grenzen aus ADS-33

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 20

    Flugeigenschaftsanalyse – Mission Task Element Plots

    • spezifisch für den ACT/FHS des DLR

    • korrespondieren mit MTE Displays

    • Zeitverläufe mit Manöverphasen, Steueraktivität,

    Hubschrauber- & Lastposition

    • Grenzen für „desired“ und „adequate performance“

  • > MATLAB Expo > Seher-Weiß • FitlabGui > 2. Juli 2019DLR.de • Folie 21

    Zusammenfassung

    FitlabGui = ein integriertes Tool für

    • Datenvorverarbeitung

    • Frequenzgangerzeugung

    • Datenvisualisierung und -analyse

    • Systemidentifizierung

    • Flugeigenschaftsanalyse von Hubschraubern

    Für weitere Informationen: [email protected]

    PS:

    Angebote für Bachelor-/Masterarbeiten, Promotionsstellen, etc. unter www.dlr.de/jobs