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C. Westermayer:
"2DOF parameter-dependent longitudinal control of a blended wing body flexible aircraft";
Supervisor, Reviewer: M. Kozek, M. Hromcik; Institut für Mechanik und Mechatronik, 2011; oral examination: 2011-09-28.

In this work the focus is laid on an active two degree of freedom (2DOF) aeroelastic control design for the longitudinal motion of a large blended wing body (BWB) flexible aircraft using modern parameter-dependent design methodologies. The conceptional design of BWB configurations and its advantages over conventional tube/wing configurations were extensively addressed by the aerospace scientific community in the recent years. Less effort is put so far on the design of an active control system and correlated analysis of stability, and performance analysis regarding structural load and vibration reduction.
Designing a parameter-dependent control law for a BWB configuration with its exceptional system properties, the multitude of design requirements regarding flight dynamics and flexible structure control, and the large operating envelope, is a particularly challenging task which is investigated in detail in this work.
A detailed open-loop plant analysis of the considered integrated BWB aircraft model comprising the coupled rigid body and flexible dynamics is the starting point for the design. Characteristic properties such as the system eigendynamics, the response to control and disturbance inputs, coupling effects, the dependency on flight and system parameters, and the effect of standard feedback loops are investigated.
For feedback and feedforward control two independent approaches are utilized: an a priori scheduling approach based on parameter-dependent Lyapunov functions for feedback design and an $\hinf$ full information approach for feedforward design. The theoretical background of these methodologies is outlined with respect to the current application needs.
For both designs, important subtasks such as design architecture selection, manual and automated controller tuning, robust design and analysis, and parameter-dependent optimization are addressed with respect to given design specifications. Therefore, nominal $\hinf$ designs are presented at first which provide the basis for the final parameter-dependent optimization. The finally obtained parameter-dependent 2DOF control law is extensively tested in fixed and parameter-varying, linear and nonlinear simulations. The obtained results regarding closed-loop system dynamics, command tracking performance, disturbance rejection, structural vibration damping, and reduction in structural loads are discussed.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines Zweifreiheitsgradreglers zur aktiven aeroelastischen Regelung eines großen, flexiblen Blended Wing Body Flugzeuges unter Verwendung moderner parameterabhängiger Reglerentwurfsmethoden. Der konzeptionelle Entwurf von BWB Konfigurationen und die damit verbundenen Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Rumpf/Flügel Konfigurationen wurde in den letzten Jahren von Wissenschaftlern umfangreich untersucht. Weniger Aufwand hingegen wurde bislang in das design von aktiven Regelungssystemen und damit verbundene Stabilitätsuntersuchungen sowie Analysen hinsichtlich der möglichen Reduktion von Strukturlasten und Vibrationen investiert.
Der Entwurf eines parameterabhängigen Reglers für eine BWB Konfiguration mit ihren außergewöhnlichen Systemeigenschaften, der Vielzahl an Entwurfszielen hinsichtlich Flugdynamik und der flexiblen Struktur, sowie der große Einsatzbereich ist eine besonders herausfordernde Aufgabe, die in dieser Arbeit umfangreich untersucht wird.
Ausgangspunkt ist eine detaillierte Untersuchung der ungeregelten Regelstrecke des integrierten BWB Flugzeugmodells, welches die gekoppelte Dynamik von Flugmechanik und flexibler Struktur beinhaltet.
Charakteristische Eigenschaften wie die Systemeigendynamik, das Antwortverhalten auf Stellgrößen- und Störgrößeneingänge, Kopplungseffekte, die Systemabhängigkeit von Flug- und Systemparametern, sowie der Einfluss von Standardrückführschleifen wird untersucht. Für die Rückführregelung und die Führungsgrößenaufschaltung werden zwei unabhängige Ansätze verwendet: ein a priori Scheduling Ansatz basierend auf parameterabhängigen Lyapunovfunktionen für die Rückführregelung und ein $\hinf$ Full-Information-Ansatz für die Vorsteuerung. Die theoretische Grundlage dieser Entwurfstheorien ist zusammengefasst mit Hinblick auf die gegenwärtige Anwendung. Für beide Entwürfe werden bezogen auf die Entwurfsvorgaben wichtige Teilbereiche wie die Wahl der Entwurfsarchitektur, manuelle und automatisierte Reglerparameter-Optimierung, robuster Entwurf und Analyse, und die parameterabhängige Optimierung behandelt. Dafür werden zunächst nominelle $\hinf$ Entwürfe vorgestellt die eine Grundlage für nachfolgende parameterabhängige Optimierung darstellen.
Der schlussendlich erhaltene parameterabhängige Zweifreiheitsgradregler wird umfangreich in linearen und nichtlinearen Simulationen mit festen und variablen System- und Reglerparametern validiert.
Die erhaltenen Ergebnisse werden hinsichtlich der Dynamik des geschlossenen Regelkreises, der Güte der Führungsgrößen- und der Störgrößenregelung, der Dämpfung von strukturellen Vibrationen und der Reduktion von Strukturlasten diskutiert.

parameter-dependent control, flexible aircraft control, two degree of freedom control, blended wing body aircraft system analysis, LPV, robust control