A aplicação da técnica não linear Backstepping para a proteção do Envelope de Voo em uma aeronave é estudada nesse trabalho. O objetivo principal é projetar controladores para proteger a aeronave de operar fora dos valores máximos e mínimos do seu envelope de voo. Esses valores são definidos pelo fabricante na etapa de projeto da aeronave. A proteção está relacionada está relacionada à entrada que o piloto produz no "stick';", que é considerada como a entrada do sistema de proteção. Os projetos de proteção foram desenvolvidos para proteger ao envelope de aerodinâmica adversa e ao envelope de atitude incomum. Dentro desses envelopes a subdivisão é feita pela proteção longitudinal, segurando o ângulo de ataque no seu máximo valor e a proteção latero-direcional, mantendo o ângulo de rolamento no máximo valor. O Backstepping por ser uma técnica de controle não linear, permite trabalhar com as não linearidades favoráveis (que estabilizam o sistema) até achar uma lei de controle que garanta a estabilidade baseada na teoria de Lyapunov. Ao longo do trabalho são apresentados os projetos de controle de proteção que foram divididos em Longitudinal e Latero-Direcional. Cada um deles é composto de dois controladores de rastreio (?, q, ?, ?, ?, p, r) que trabalham em paralelo e são compactados através de uma função de comutação. Já nos capítulos finais são apresentados as simulações, os resultados as conclusões e as recomendações.

A aviação ultraleve e experimental são segmentos da aviação geral que conquistam cada vez mais espaço no mercado mundial. Os motivos mais influentes para esse crescimento são o baixo custo de aquisição e operacional da aeronave, a pequena burocracia envolvida para obtenção das licenças de piloto e o pequeno número de horas necessárias para o voo de cheque. Justamente pelo treinamento ainda não ser tão rigoroso como costuma ser nas outras áreas da aviação, muitos pilotos acabam cometendo erros fatais que poderiam ser evitados de alguma forma. A perda de controle, mais especificamente o estol, é o caso que representa o maior índice de fatalidades no ramo aeronáutico. A proposta deste trabalho é projetar um controlador capaz de proteger o avião contra o estol, limitando seus máximos ângulos de atitude longitudinal, lateral e velocidade mínima. Primeiramente, a aeronave é analisada em malha aberta para verificar a necessidade de sistemas de aumento de estabilidade segundo critérios de qualidade de voo. Os ganhos dos controladores são definidos através de requisitos de estabilidade e desempenho como também suas respectivas barreiras de robustez. Para estabilidade robusta, serão consideradas as variações paramétricas da planta e também o primeiro modo flexível da aeronave. Para desempenho robusto, a barreira das baixas frequências será definida pelo vento.

No projeto de aeronaves é incessante a busca pelo mínimo custo de operação, composto em grande parte pelo consumo de combustível. O peso estrutural da aeronave está diretamente ligado a este consumo. Para projeto de uma estrutura mais leve, é necessário a representação fidedigna das cargas atuantes na aeronave. Para o correto cálculo dessas cargas é muito importante a elaboração de um modelo aerodinâmico representativo das forças atuantes na aeronave. Neste trabalho é feita a comparação entre envelopes de cargas atuantes em uma asa calculados com modelos aerodinâmicos obtidos por diferentes formulações aerodinâmicas teóricas, sendo elas: potencial linearizado, potencial completo com correção de camada limite, Euler e RANS. De posse das distribuições de pressão representativas das que ocorrem na aeronave em todo seu envelope de vôo, é feita uma calibração para que se atinja coeficientes integrados de força normal correspondentes aos valores obtidos em ensaios de túnel de vento. Os envelopes de esforço cortante e momento fletor da asa em condições de vôo simétricas foram equivalentes em todas as metodologias empregadas, porém limitações dos métodos de obtenção de distribuição de pressão assim como do processo de calibração fizeram com que o envelope de momento torsor obtido não fosse representativo da física do problema. Em condições assimétricas, apenas nos envelopes de esforço cortante e momento fletor gerados pelos modelos obtidos com votex-lattice, os resultados foram aceitáveis.

O trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma lei de controle longitudinal de proteção de envelope de voo, limitando o ângulo de ataque a fim de evitar o estol. A arquitetura básica do controle de ângulo de ataque consiste de uma malha interna responsável pelo aumento de estabilidade do sistema (SAS), e da malha externa cuja função é e garantir o seguimento do ângulo alfa. O ajuste do controlador utilizado foi feito por otimização através de simulações e utilizando o método de integração do erro absoluto no tempo (ITAE). Para validação do projeto são apresentadas diversas simulações do modelo linear e não linear no domínio do tempo e da frequência, considerando os atrasos relativos ao controlador digital e dos sensores inerciais e aerodinâmicos, demonstrado a robustez e estabilidade do sistema.