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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
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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
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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
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Programmhistorie
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Flugversuchsdaten
Daten-
vorverarbeitung
Frequenzgang-
erzeugung
System-
identifizierung
Daten-
visualisierung
Flugeigenschafts-
analyse
HATFITLABmDIVA
HHQTools
FitlabGui
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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
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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
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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
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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
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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 [%]
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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
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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]
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> 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
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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
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> 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
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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
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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
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> 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
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> 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
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> 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“
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> 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