Load Limiting Control for Component Life Extension

📄 arXiv: 2506.23302v1 📥 PDF

作者: Chams Eddine Mballo, Robert Walters, Jonnalagadda V. R. Prasad

分类: eess.SY

发布日期: 2025-06-29

备注: Accepted for publication in Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol 48 (2), 2025. Version of Record at DOI https://doi.org/10.2514/1.G007854

期刊: J. Guidance Control Dyn. 48(2), 255-268 (2025)

DOI: 10.2514/1.G007854

💡 一句话要点

提出负载限制控制方案以延长直升机关键部件寿命

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 负载限制控制 寿命延长 疲劳载荷 直升机控制 模型预测控制 优化算法 飞行安全

📋 核心要点

  1. 现有的寿命延长控制方案往往忽视载荷的谐波成分引起的疲劳损伤，且无法有效区分激烈与非激烈的飞行操作。
  2. 提出的负载限制控制（LLC）方案通过计算控制余量（CM）来优化飞行员的操作，提升了对载荷限制的响应能力。
  3. 仿真结果显示，经过充分训练，飞行员能够在0.5秒内准确跟踪控制提示，显著提高了操作的安全性与效率。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新颖的负载限制控制（LLC）方案，旨在延长承受显著疲劳载荷的直升机关键部件的使用寿命。该方案的主要目标是合成一种比现有文献中更高效且不那么保守的寿命延长控制方案。LLC方案解决了当前寿命延长控制方案中存在的多个问题，如忽视载荷谐波成分引起的疲劳损伤，以及无法区分激烈和非激烈操作。通过将期望的谐波载荷限制视为限制边界，LLC方案将负载限制问题重新表述为车辆限制问题，并通过计算控制余量（CM）来实现。该CM为飞行员提供了操作提示。通过仿真验证了LLC方案在飞行中限制谐波俯仰连接载荷的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有寿命延长控制方案在处理疲劳载荷时的不足，特别是对谐波载荷成分的忽视和对飞行操作类型的区分能力不足。

核心思路：LLC方案通过将期望的谐波载荷限制视为边界，重新定义负载限制问题，并计算控制余量（CM）作为飞行员的操作提示，从而提高控制的灵活性和有效性。

技术框架：该方案包括一个优化算法、一个模型预测控制器和一个计算简单的机载动态模型，整体流程为：首先检测载荷限制，然后计算CM，最后向飞行员提供实时反馈。

关键创新：LLC方案的创新在于其能够同时考虑谐波载荷和飞行操作的性质，提供更为精准的控制提示，与传统方法相比，显著提高了疲劳损伤的管理能力。

关键设计：在设计中，控制余量的计算基于实时载荷数据，优化算法确保了快速响应，模型预测控制器则用于动态调整控制策略，以适应不同的飞行状态。

📊 实验亮点

实验结果表明，LLC方案在限制谐波俯仰连接载荷方面表现出色，飞行员经过训练后能够在0.5秒内准确跟踪控制提示，显著提升了操作的安全性与效率，相较于传统方法，响应时间大幅缩短。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括民用和军用直升机的飞行控制系统，能够有效延长关键部件的使用寿命，降低维护成本，提高飞行安全性。未来，该方案或可扩展至其他航空器及高负载机械设备的控制系统，具有广泛的实际价值。

📄 摘要（原文）

This paper presents the development of a novel life-extending control scheme for critical helicopter components subjected to significant fatigue loading. The primary objective is to synthesize a more efficient and less conservative life-extending control scheme than those currently available in the literature. The proposed Load Limiting Control (LLC) scheme is a viable solution that addresses several issues that current life-extending control schemes suffer from, such as the neglect of fatigue damage induced by the harmonic component of loads and the inability to distinguish between aggressive and non-aggressive maneuvers. The proposed LLC scheme treats desired harmonic load limits as limit boundaries and recasts the problem of load limiting as a vehicle limit by computing a Control Margin (CM) using a limit detection and avoidance module. The computed CM is used as a cue to the pilot. The limit detection and avoidance module comprises an optimization algorithm, a model predictive controller, and a computationally simple on-board dynamical model. Simulations were conducted to demonstrate the effectiveness of the LLC scheme in limiting harmonic pitch link loads during flight. One significant outcome is that, with sufficient training, the pilot can skillfully track the cue within 0.5 seconds of initiating the tracking task.