Flugregelung

Am Beginn einer langen Reise ist es gut, das Ziel in groben Zügen zu kennen. Dadurch sind deren einzelne Stationen besser als Teile des Gesamtunternehmens einzuordnen. So soll auch diese Einführung einen Überblick über das geben, was uns in diesem Buch beschäftigen wird. Unser Ziel ist, das Flugzeug in seinem Verhalten genauer kennenzulernen, daraus den Bedarf für regelungstechnische Maßnahmen abzuleiten und schließlich die vielen Funktionen existierender Flugregler zu verstehen. Der Aufbau dieses Buches wurde so gewählt, daß jedes Kapitel ein Sachgebiet aus dem angesprochenen Themenkreis in kompakter Form behandelt. Dabei wurde der Systematik der Vorzug gegeben vor der Didaktik mit dem Ziel, die vielfältigen Gesichtspunkte und Zusammenhänge dieses komplizierten Prozesses zu ordnen und für die große Zahl von Einzellösungen übergeordnete Prinzipien aufzustellen.

Die Flugzeugbewegung wird generiert durch Kraft- und Momentenvektoren und wird beschrieben durch die Vektoren von Geschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit, Beschleunigung und Drehbeschleunigung. Dazu kommen Lagewinkel und Position. Diese große Zahl von Variablen muß sauber definiert und einem übersichtlichen Ordnungsschema unterworfen werden. Dazu werden Koordinatensysteme so definiert, daß in ihnen die Darstellung bestimmter Vektoren besonders einfach wird. Für die Aufstellung der Bewegungsgleichungen müssen die Vektoren in ein ausgewähltes Achsenkreuz transformiert werden. Diese Transformationen sind von der relativen (zeitabhängigen) Winkellage der Achsenkreuze abhängig. Die dabei auftretenden Winkel und deren Änderungsgeschwindigkeiten sind zugleich Zustands- und Meßgrößen der Flugzeugbewegung.

Die äußeren, am Flugzeug angreifenden Kräfte sind die aerodynamischen Kräfte und der Triebwerksschub. Durch sie kann ein Körper, der schwerer als Luft ist, fliegen. Sie sind kontinuierlich so modifizierbar, daß Flugbahn und Fluglage gesteuert werden können. Die Kenntnis der Entstehung von aerodynamischem Auftrieb, Widerstand und Triebwerksschub ist also wichtig, um zu wissen, wie ein Flugzeug fliegt und wie Flugbahn und Fluglage gesteuert und geregelt werden können. Bevor die Differentialgleichungen der Flugzeugbewegung in Kapitel 5 aufgestellt werden, soll deshalb dieses Kapitel eine Einführung in die Flugphysik geben. Es soll erstens erläutern, unter welchen Bedingungen ein stabiler Flug möglich ist, zweitens, welche Möglichkeiten zur Steuerung von Flugbahn und Fluglage existieren und drittens, welche Rückwirkungen die Flugzeugbewegung auf den Kräfte- und Momentenhaushalt hat. Es wird schließlich nötig sein, die Grundprinzipien der Schuberzeugung mit Hilfe luftatmender Triebwerke zu erläutern und auf die schwierig zu erfassende Wechselwirkung zwischen Triebwerksschub und Aerodynamik hinzuweisen.

Die Bewegungen der Atmosphäre sind die Hauptursache der Stöning von Flugbahn und Fluglage. Eine wesentliche Aufgabe von Flugreglern ist es, diese Störungen zu kompensieren oder wenigstens ihre Wirkung abzumindern. Dazu gehört auch die sichere Führung von Flugzeugen in gefährlichen Windsituationen, z.B. in der Nähe von Gewittern. Wind- und Turbulenzmodelle sind daher eine wichtige Grundlage für die Auslegung von Flugreglern.

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln alle Ein- und Ausgangsgrößen des Prozesses Flugzeugbewegung eingeführt und die äußeren Kräfte und Momente erläutert wurden, soll hier das nichtlineare Differentialgleichungssystem der Flugzeugbewegung in sechs Freiheitsgraden eingeführt werden.

Das in Kapitel 5 hergeleitete Gleichungssystem wird in dieser aufwendigen Form nur für die numerische Simulation verwendet. Für analytische Rechnungen, wie z.B. zur Vorauslegung von Reglem oder für Stabilitäts-, Beobachtbarkeits- und Steuerbarkeits-untersuchungen (Flugeigenschafts-Untersuchung), muß es vereinfacht werden. Das ist möglich, wenn z.B. einzelne Variable in ihrem Wertebereich eingeschränkt werden oder nur kleine Abweichungen von einem definierten Betriebszustand (Arbeitspunkt) zugelassen sind. Das Gleichungssystem kann dann um diesen Arbeitspunkt linearisiert werden, wobei es auf Grund der Symmetrieeigenschaften des Flugzeugs häufig in zwei Gleichungssysteme zerfällt, die jeweils die symmetrische Längsbewegung und die unsymmetrische Seitenbewegung beschreiben.

In Kapitel 6 wurde anhand reduzierter, nichtlinearer Gleichungen das Flugzeugverhalten “im Großen” analysiert. Aus der Betrachtung des Kräfte- und Energiegleichgewichts wurde die Reaktion des Flugzeugs auf Steuerbefehle und Windstörungen untersucht. Nachdem in Kapitel 7 die Gleichungen der Flugzeugdynamik linearisiert und in Zustandsform überführt wurden, soll hier das Flugzeugverbalten “im Kleinen”, d.h. bei kleinen Abweichungen von einem stationären Arbeitspunkt analysiert werden. Dafür werden sowohl die Zustandsgleichungen selbst herangezogen, als auch die aus ihnen abgeleiteten Übertragungsfunktionen. Zur Vereinfachung werden die linearen Abweichungen (δ) der Bewegungsgrößen nicht gesondert gekennzeichnet.

In Kapitel 3 wurde erläutert, wie durch Veränderung der Flügel- und Leitwerksgeometrie die Verteilung der aerodynamischen Kräfte am Flugzeug laufend modifiziert werden kann und wie mit Hilfe von Rudern und Klappen das Flugzeug bezüglich Fluglage und Flugbahn gesteuert werden kann. Auch die Wirkung des Triebwerksschubes und seine Bedeutung für die Flugzeugsteuerung wurde dort behandelt. Mit Hilfe vereinfachter, nichtlinearer Modelle der Flugzeugbewegung wurde in Kapitel 6 die Reaktion des Flugzeugs auf Verstellung von Rudern, Klappen und Triebwerksschub unter flugphysikalischen Gesichtspunkten diskutiert. Das wurde in Kapitel 8 an Hand linearisierter Bewegungsgleichungen fortgeführt.

Das oberste Ziel bei der Auslegung von Flugzeugen ist die Sicherheit; diesem sind alle übrigen Ziele untergeordnet. Ob es sich darum handelt, einen einzelnen Passagier nach einem Stadtrundflug wieder auf dem Ausgangsflugplatz zu landen, oder ob hunderte von Menschen in einem Großraumflugzeug von Frankfurt nach Tokio befördert werden sollen, immer geht es im zivilen Bereich ausschließlich darum, Menschen sicher an ihren Bestimmungsort zu bringen. Wirtschaftlichkeit, Flugkomfort und Pünktlichkeit sind zwar ebenfalls wichtige Ziele; sie sind demgegenüber aber von untergeordneter Bedeutung.

In diesem Kapitel wird eine Auswahl von Reglerstrukturen und Auslegungsverfahren für die Modification des dynamischen Verhaltens eines Prozesses und die Reduzierung stochastischer Störungen vorgestellt. Dieses bildet die Grundlage für die Diskussion von Flugeigenschaftsreglern in Kapitel 14. Diese Ausführungen stellen keinen Ersatz für die vielen hervorragenden Darstellungen regelungstechnischer Grundlagen dar, wie z.B. in /Ackermann 88/, /lsermann 87/, /Unbehauen 85/. Sie sollen vielmehr (zusammen mit Kapitel 13) der Orientierung über erfolgversprechende Regleransätze dienen. Auch die einheitliche Darstellungs- und Bezeichnungsweise dient der besseren Einordnung weiterführender Literatur. Regelungstechnische Grundkenntnisse werden vorausgesetzt, die wichtigsten systemtheoretischen Grundlagen sind Kap. 8.1 zu entnehmen.

Regler zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens und zur Störunterdrückung wurden in Kapitel 12 eingeführt. Diese hauptsächlich aus der Zustandsrückführung entwikkelten Regler sind allerdings in dieser Form nicht für die Flugbahnführung geeignet. Sie können zwar den Piloten entlasten, aber nicht vollständig ersetzen. Für eine vollautomatische Bahnführung muß die Grundstruktur der Zustandsvektorrückführung um die Elemente “integrierender Regler” und “Vorsteuerung” zum Regelungssystem mit mehreren Freiheitsgraden erweitert werden. Auch die Kaskadenregelung wird herangezogen, da sie dem hierarchischen Aufbau des Prozesses sehr gut entgegenkommt. Diese Regler bilden die Grundlage der in Kapitel 16 behandelten Autopiloten. Eine Verbindung von Führungsregelung und Modifizierung der Dynamik stellt die Modellfolgeregelung dar, die für Aufgaben der In-flight-Simulation seit langem erfolgreich eingesetzt wird und ein Potential zur Weiterentwicklung von Autopiloten bietet.

Die erste Aufgabe von Flugreglern besteht in der Anpassung der Flugeigenschaften an die Wünsche des Piloten. Wie in Kapitel 11 ausgeführt, betrifft das

In den letzten fünfzehn Jahren sind sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich die Flugaufgaben rapide gewachsen. Gleichzeitig wurde die Flugzeugbesatzung reduziert (Zwei-Mann-Cockpit). Aufgaben wie die Landung ohne jede Sicht (CAT III B und C), der Schnellflug in Bodennähe bei hoher Luftturbulenz oder die Führung eines instabilen Flugzeugs sind vom Menschen nicht mehr ohne Reglerunterstützung durchführbar. Regler für diese neuen Aufgaben müssen volle Autorität erhalten, da der Pilot nicht mehr in der Lage ist, ihre Funktion zu übernehmen. Das ist aber nur bei entsprechend hoher Zuverlässigkeit realisierbar und bedingt eine Vermehrfachung (Redundanz) der Regler in Verbindung mit einer automatischen Überwachung und Fehlerbeseitigung. Auch der Flugzustand muß laufend automatisch überwacht und die Überschreitung seiner Grenzen (z.B. Anstellwinkel, Machzahl) verhindert werden.

Bisher haben wir uns ausschließlich mit Reglem auseinandergesetzt, die der Veränderung der Flugeigenschaften oder auch der Lagestabilisierung dienen. Da diese Regler nicht geeignet sind, das Flugzeug auf einer Bahn zu halten, haben wir immer stillschweigend vorausgesetzt, daß die Führung des Flugzeugs entweder vom Piloten oder von weiteren äußeren Regelschleifen wahrgenommen wird. Die Darstellung der Standardfunktionen der äußeren Regelschleifen zur Bahnführung ist Inhalt dieses Kapitels. Da mit ihrer Hilfe das Flugzeug vollautomatisch geführt wird, hat sich für diese Regler der Begriff” Autopilot” eingebürgert.

In Kapitel 16 wurden Einzelregler behandelt, mit denen jeweils eine der drei Bahnkomponenten Fluggeschwindigkeit, Höhe oder Kurs (bzw. vertikale und horizontale Ablagen von einer Sollbahn) geregelt wird. Diese im wesentlichen linearen Regler wurden in der Vergangenheit als einzelne Betriebsarten von Autopiloten für die Stabilisierung eines Flugzeugs auf geradliniger Bahn entwickelt. Es wurden auch nichtlineare Schaltungen diskutiert, die einen Übergang auf eine neue Flughöhe oder einen neuen Kurs ermöglichen. Dabei handelte es sich aber um mehr oder weniger behelfsmäßige Einzellösungen, die keine hohe Genauigkeit der Bahnführung erlauben.

Bisher haben wir Flugregler ausschließlich für sich allein betrachtet, d.h. ohne die Funktion des Piloten zu berücksichtigen. Es wurde angenommen, daß der Pilot über das Reglerbediengerät Sollwerte vorgibt, oder daß diese Vorgaben von einem Flugmanagement-Rechner geliefert werden. Es gibt aber Reglerbetriebsarten, bei denen Pilot und Regler sehr eng zusammenwirken. Diese sind seit der Einführung der Fly-by-Wire-Technik sogar zu Basisbetriebsarten geworden. Wegen der Schnittstellen zwischen Pilot und Regler (Anzeigen, Bedienelemente) und der notwendigen, sorgfältigen Abstimmung zwischen beiden sind solche Betriebsarten technisch aufwendiger als vollautomatische Regler.

In diesem abschließenden Kapitel wird das modernste Flugregelungssystem für zivile Transportflugzeuge, das Automatic Flight Control System (AFCS) des Airbus A320 (Erstflug 1987) beschrieben. Es baut auf mehr als zwanzig Jahren Erfahrung mit dem Concorde-Regler und den Reglem für Airbus A300 und A310 auf. Die Concorde (Erstflug 1969) besitzt ein analoges Fly-by-Wire-System, hat allerdings für den Notfall noch ein voll ausgebautes mechanisches Steuersystem. Während der Regler der A300-B2 (Erstflug 1972) noch in Analogtechnik aufgebaut war und die konventionelle Aufteilung in Längs- und Seitenbewegung sowie in Autopilot und Vortriebsregler besaß, wurde der Regler für A310 (Erstflug 1982) und A300-600 (Erstflug 1983) voll digitalisiert. Er ist durch eine Integration der Reglerfunktionen und eine Konzentration auf wenige Regelrechner gekennzeichnet. Der Flight Control Computer (FCC) übernimmt hier sämtliche Autopilot- und CWS-Funktionen und der Flight Augmentation Computer (FAC ist zusammen mit drei weiteren Rechnern für die sicherheitskritischen Funktionen (Autotrimm, Gierdämpfer, Grenzwertüberwachung u.a.) verantwortlich. Ein Flight Management Computer (FMC) berechnet Flugprofile, Leistungsdaten und Bahnführungsgrößen sowohl für den Autopiloten als auch für das Electronic Flight Instrument System (EFIS).