Esta tese apresenta um método de identificação de parâmetros de modelos dinâmicos de aeronaves a partir de dados obtidos em ensaios de vôo. Para esta finalidade o método utiliza a estimação simultânea de estados e parâmetros na minimização de uma função custo baseada na definição do funcional de máxima verossimilhança. Devido a necessidade crescente da obtenção de modelos precisos para controle de aeronaves, principalmente em aeronaves tipo Fly-By-Wire, este algoritmo foi desenvolvido considerando o cenário realista de vôo das aeronaves onde têm-se ruído de estado na equação dinâmica da planta, fazendo uso da interação do Filtro de Kalman e do método de otimização de Gauss-Newton para a obtenção de estimativas paramétricas não polarizadas em ensaios de vôo com turbulência atmosférica. A validação do algoritmo é feita através da implementação de um programa em MATLAB, onde foram realizadas simulações e aplicações do método do Erro Filtrado em dados reais de ensaio de vôo da aeronave Xavante AT-26, ressaltando aspectos referentes à convergência, esforço computacional, estimativas paramétricas e suas respectivas acurácias. Os resultados obtidos neste trabalho ressaltam a aplicabilidade do método do Erro Filtrado verificada através da capacidade preditiva dos modelos dinâmicos resultantes da convergência do algoritmo e dos valores coerentes das estimativas paramétricas obtidas.

Neste trabalho é desenvolvida a estimação paramétrica de derivadas de estabilidade e controle para a aeronave AT-26 4509 do GEEV através da aplicação do método do erro de saída com otimização por Levenberg-Marquardt a dados reais de ensaios em vôo. O modelo adotado para a dinâmica da aeronave, denominado neste trabalho de global, possui 6 graus de liberdade e emprega equacionamento não-linear, compreendendo o conjunto de equações de estado. Como equações de saída, são apresentadas as expressões que modelam as medidas esperadas nos sensores. São selecionados os sensores das grandezas físicas mais relevantes para as manobras. A partir das equações de estado e saída e dos valores medidos pelos sensores, são definidos os parâmetros a serem estimados e é aplicada a metodologia de estimação. O processo é operacionalizado através de um programa de computador em ambiente MATLAB 6.5, que apresenta versão com interface gráfica e integrada a um pacote de estimação pré-existente. Utilizando-se como plataforma uma aeronave AT-26 instrumentada, são executadas manobras definidas com base na necessidade do modelo dinâmico empregado e no envelope da aeronave, levantado-se os dados necessários para o programa de estimação. Após processo iterativo de ajustes das estimativas iniciais e de combinação de modelos dinâmicos, chega-se aos resultados da estimação com modelo global, que são analisados e validados com base em programa de referência, comprovando-se a adequação de todo o processo de estimação apresentado.

Este trabalho propõe a investigação da aplicação das metodologias de Identificação de Sistemas na mecânica do vôo, com ênfase no desenvolvimento de estruturas de modelos e métodos de estimação de parâmetros no domínio do tempo, através da análise de dados de simulação e dados obtidos em ensaios em vôo. Isso possibilita a completa modelagem aerodinâmica, ou seja, a determinação das derivadas de estabilidade e controle, as quais desempenham um papel preponderante no comportamento dinâmico de uma aeronave. A abordagem de sistemas Lineares com Parâmetros Variantes (LPV), cuja teoria tem sido motivada por problemas de controle que exigem a estratégia de escalonamento de ganhos (Gain- scheduling), é uma maneira sistemática de se representar uma família de modelos lineares e não-lineares. Além disso, nessa abordagem os projetos de controladores e observadores de estado são baseados em técnicas de Desigualdades Matriciais Lineares (LMI, do inglês Linear Matrices Inequalities), que são uma valiosa alternativa aos métodos analíticos, uma vez que os problemas podem ser resolvidos de maneira exata por eficientes algoritmos de otimização convexa.Desse modo, a utilização da representação LPV no contexto da identificação de sistemas possibilita a validação dessa classe de modelos e abre perspectivas para melhorias no próprio processo de estimação paramétrica.

Para o desenvolvimento de algoritmos de controle que permitam o bom desempenho e a estabilidade em voo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) é necessário que se disponha de modelos de atuadores (servo atuadores) e modelos da dinâmica de voo validados dessas aeronaves. Os servo atuadores são dispositivos de grande importância no controle de VANTs onde são usados para comandar as superfícies de controles aerodinâmicos. O desempenho e a estabilidade do controlador para estes veículos dependem da modelagem adequada dos servo atuadores, bem como, da identificação dos parâmetros físicos experimentais. Neste trabalho é desenvolvido um ambiente integrado para modelar, simular e controlar os servo atuadores. O software LabVIEW foi usado para desenvolver um sistema automático que gera um sinal de controle PWM e também monitora a resposta dos servo atuadores. O ambiente integrado incorpora muitas opções de sinais de controle usando para isto uma placa de aquisição de dados NI. Os sinais de entrada e saída são usados para identificar possíveis modelos do atuador, são analisados em tempo e frequência, e então processados por um sistema de identificação e estimação de parâmetros no ambiente MATLAB. Os parâmetros dos modelos da dinâmica de voo são as derivadas aerodinâmicas de estabilidade e controle, na qual estes parâmetros são estimados através de diversas técnicas de identificação de parâmetros, dentre elas destaca-se principalmente a modelagem aerodinâmica baseada em ensaio em voo. Para que seja possível realizar essas tarefas de identificação, é necessário que sejam monitorados diversos parâmetros de voo da aeronave. Este trabalho também apresenta a integração e a operacionalização de um sistema de aquisição de dados de ensaio em voo (Icasim) que possui incorporado ao seu sistema sensores de atitude (crossbow), ponta de prova anemométrica (a, b, altitude, temperatura) e outros subsistemas que permitem o monitoramento da deflexão das superfícies de controle e da rotação do motor para ensaios em voo do Vector-P (VANT de médio porte).

This Doctorate Thesis concerns optimum control of flexible aircraft. Models of a conceptual flexible aircraft are developed for control applications. A general model following problem via output feedback is developed and applied to the conceptual aircraft. The models are determined for 3 aircraft variants with increasing flexibility. The aerodynamics of flexible body is given by the Doublet Lattice method. The dynamics of the flexible structure is obtained via modal superposition. Controllability measures, given from control amplitude and rate constraints, are evaluated. Stabilization of flexible modes is performed via static output feedback. Control channels are defined with support of modal controllability and observability indexes. These applications contribute to determine the configuration of control surfaces. In order to treat the control of flexible aircraft, a rigid body approximation is proposed as the reference model. A general problem is posed, that consists in the determination of an optimum quadratic nonlinear output feedback for nonlinear plant and reference model, in order to approximate the input-output behavior of the reference model, for given performance outputs. Novel optimum and sub-optimum results, involving time variant and invariant linear state and output feedback and nonlinear time invariant output feedback, via neural networks, are developed. All these results are applied to the nonlinear model of conceptual aircraft and respective linear approximation, with comparisons among them. The efficiency and efficacy of the results are shown, and the importance of the nonlinear control is evidenced.

O mercado da aviação comercial encontra-se em constante expansão, acompanhado o crescimento do PIB mundial. A operação de aeronaves comerciais é bastante restritiva do ponto de vista da segurança. Como forma de aumentar a segurança operacional, especialmente em condições climáticas críticas, cada vez mais aeronaves comerciais vêm utilizando sistemas automáticos de controle - dentre estes, sistemas de pouso - CAT I, II e III. Sistemas CAT III realizam o procedimento de pouso desde a aproximação até a quase parada completa da aeronave. O objetivo deste trabalho é estudar alguns modelos de esforços que agem sobre a aeronave em solo e em seguida propor um modelo simplificado. De posso deste modelo, inicia-se então o projeto de dois algoritmos de controle robustos o suficiente para realizar o controle da posição lateral da aeronave em relação ao centro da pista de pouso para diversos pesos de pouso. De posse do sistema em malha fechada, são então realizadas algumas simulações e os seus resultados são discutidos.

Este trabalho apresenta uma maneira prática de combinar as técnicas atuais de otimização multicritério com as de escalonamento de ganhos e aplicá-las a um caso prático de controle de vôo de movimento longitudinal de aeronave. Para o projeto foi considerado um modelo simplificado de aeronave e definido um controle baseado na realimentação da velocidade de arfagem, do ângulo de ataque e do fator de carga, além das respectivas características de período curto e fugóide, bem como da resposta a um degrau de referência que deviam ser atingidas para a qualidade de vôo desejada. A partir do estudo do envelope de vôo do modelo, definiu-se uma distribuição linear dos pontos de operação do escalonador no espaço do envelope. Em cada ponto de operação foram executados dois algoritmos de otimização: um baseado na Teoria de Jogos Multi-objetivos, do Prof. J. F. Nash e o outro num modelo de algoritmo genético de modo a obter os melhores ganhos para aquele ponto de operação. Depois foi aplicado um algoritmo de interpolação linear nos pontos do escalonador de maneira a obter os parâmetros do controlador para qualquer ponto de operação dentro dos limites do envelope de vôo. Ao fim foi efetivada uma validação da lei de controle escalonada gerada com a simulação e cálculo dos parâmetros de qualidade para pontos dentro do envelope de vôo. São apresentados ao longo do trabalho os resultados de uma aplicação prática, bem como boa parte dos algoritmos e modelos usados para implementação.

A nonlinear flight control system is proposed for a conceptual flexible aircraft using Backstepping technique to achieve global stability in the rigid and flexible dynamics. It is introduced a controller to lead the model to a rigid-body model approximation, minimizing structural dynamics effects using static Backstepping approach, that system can be called as flexible modes suppressor. Afterward, it is applied a controller with an internal loop involving the angular rates of the aircraft and an external loop which includes pitch angle, sideslip angle and bank angle without the two-timescale assumption to separate slow and fast dynamics and without consider aerodynamics forces and moments increments caused by structural dynamics. In addition, external looping are built using Backstepping for first order systems in order to control aircraft course and altitude, the results are reference inputs to be introduced in the previous loop developed for rigid body control. Also, it is implemented a separate controller to track velocity using Backstepping approach, as a result, aircraft autopilot system is completed. Nonlinear six degree of freedom simulation results for a conceptual model of a medium size jet, like Embraer 190/195 and Boeing 737-200/300, are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control law in several conditions. It is assumed that the aerodynamics coefficients are fixed and the model presents augmented flexible features.

Este trabalho aplica o método da resposta em freqüência para a identificação de parâmetros do modelo no espaço de estados da dinâmica longitudinal de uma aeronave. Inicialmente, considerações a respeito de uma manobra apropriada para a excitação da aeronave são discutidas e a manobra de varredura em freqüência é descrita. Uma breve explicação da teoria de análise espectral utilizada para o cálculo das funções de resposta em freqüência é apresentada, incluindo o cálculo dos intervalos de confiança e os impactos dos ruídos aleatórios e de erros sistemáticos sobre os resultados. O método da resposta em freqüência de identificação de parâmetros, implementado em ambiente MatLab, utiliza a função custo de máxima verossimilhança. Dados simulados são utilizados para a identificação de parâmetros. Em geral, os modelos identificados apresentam boa concordância com a dinâmica da aeronave. Dentre os resultados bem sucedidos, o modelo identificado que melhor representou a dinâmica da aeronave foi dado pela identificação paramétrica D. Os resultados também sugerem que o sucesso na identificação de um sistema usando técnicas do domínio da freqüência depende grandemente do apropriado planejamento e execução da manobra.

A finalidade é projetar e validar um sistema de controle capaz de conduzir, de maneira eficiente uma aeronave durante a decolagem, sem impactar o conforto dos passageiros e respeitando critérios estabelecidos para robustez e qualidade de vôo. A fase de decolagem é dividida em sub-fases, de arredondamento e de subida. Além da dinâmica tradicional da aeronave, foram considerados efeitos característicos da decolagem, tais como: efeito de solo, configuração de trem de pouso e configuração dos flaps. Também foi feito um estudo sobre a dinâmica inversa da decolagem para a sub-fase de arredondamento, com a finalidade de obtenção do comando em taxa de arfagem, a ser utilizado pelo sistema de controle. A partir de então se deu o projeto do cálculo dos ganhos dos controladores, através do modelo linearizado da aeronave. Os ganhos foram calculados utilizando os critérios ITAE (Integral Time Absolute Error), para o arredondamento, e IAE (Integral Absolute Error), para a subida. Ainda para o cálculo dos ganhos dos controladores, foram utilizadas restrições que moldam a performance dos controladores, além de restrições para robustez do sistema. Para a sub-fase de arredondamento, de curta duração, um controlador do tipo PI (proporcional integral) se mostrou eficiente para dar uma boa resposta da aeronave para o comando em taxa de arfagem. Já na sub-fase de subida foi utilizado um piloto automático de altitude e outro de velocidade, e, para tanto, foram utilizados controladores do tipo PID (proporcional integral derivativo) e PI, respectivamente. Com o sistema de controle desenvolvido, ele foi integrado ao modelo não linear da aeronave e, então, foi verificada a performance dos controladores projetados para a fase completa de decolagem, com atenção especial à transição entre as sub-fases. Por final, são avaliados importantes critérios de qualidade de vôo e de estabilidade, assim como testes desenvolvidos especificamente para avaliar a robustez do sistema.