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G. Brantner:
"Advanced Control Concepts for a 3-DOF Laboratory Helicopter: Development and Application";
Betreuer/in(nen): S. Jakubek, A. Schirrer, G. Fuchs; Institut für Mechanik und Mechatronik, 2010; Abschlussprüfung: 23.06.2010.

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung von fortgeschrittenen Regelkonzepten für einen 3-FG Laborhelikopter. Am Anfang werden die Bewegungsgleichungen über einen physikalischen Modellbildungsansatz berechnet. Die Modellbildung liefert stark nichtlineare Differentialgleichungen. Die Kinematik und Dynamik des Systems werden mittels Test-Trajektorien (Polynom Trajektorien die kurz erläutert werden) analysiert und validiert. Ausgehend von den nichtlinearen Bewegungsgleichungen werden lineare Zustandsraum Modelle für beliebige Arbeitspunkte abgeleitet. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht in der Entwicklung verschiedener linearer und nichtlinearer Regelarchitekturen. Zunächst werden klassische Regler durch Zustandsvektor Rückführung mit und ohne Integration des Regelfehlers implementiert. Basierend auf den linearen Modellen wird ein Gain-Scheduling-Ansatz, wobei der Scheduling Parameter gerade einem Freiheitsgrad entspricht, entwickelt. Dieser Gain-Scheduling-Regler benutzt sowohl eine diskrete Umschaltung zwischen den Arbeitspunkten als auch einen möglichen kontinuierlichen Ansatz (mittels Interpolation). Zusätzlich wird eine flachheitsbasierte Vorsteuerung für transiente Arbeitspunktwechsel erarbeitet. Die Vorsteuerung basiert auf linearer und nichtlinearer Invers-Dynamik. Die Leistungen all dieser Regler werden bezüglich ihrer dynamischen und stationären Verhalten beurteilt. Schlussendlich werden die zuvor vorgestellten Architekturen am Laborexperiment getestet.

This work deals with the development and application of advanced control concepts for a 3-DOF laboratory helicopter. In the beginning, the equations of motion are derived from a physical modeling approach. The modeling procedure yields highly nonlinear differential equations. The system's kinematics and dynamics are thoroughly analyzed and validated using test trajectories (polynomial trajectories, for which a brief review is provided in advance). From the nonlinear equations of motion linear state space systems are derived for arbitrary operating points. The major part of this work consists of the development of different linear and non-linear control architectures. At first, a classic state vector feedback controller with and without integration of the control error is implemented. Based on the calculation of the system parameters of the linearized model, a gain scheduling approach is developed using one of the degrees of freedom as scheduling parameter. The gain scheduling application uses both discrete operating points as well as one possible continuous scheduling through interpolation. Additionally, a flatness-based feedforward controller architecture is added for transient set point changes using linear and nonlinear inverse dynamics. The control performance is validated in its dynamical and steady-state behavior. Finally, the previously derived approaches are tested on the actual helicopter.

feedforward control, gain scheduling, helicopter, control