Orientador: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Resumo: O presente trabalho propõe uma nova estratégia para supressão ativa robusta do fenômeno Ground Resonance (GR) em Helicópteros. O modelo clássico de análise deste fenômeno é desenvolvido para um rotor isotrópico e a análise de estabilidade é feita no domínio de Coleman, para encontrar as fronteiras de instabilidade. Também é proposta uma nova estratégia para lidar com essas fronteiras de instabilidade e suprimir o GR usando controladores com formulação descrita por conjuntos politópicos convexos. Controladores são projetados via desigualdades lineares matriciais (LMIs, Linear Matrix Inequalities), formulados de acordo com a Teoria de Estabilidade de Lyapunov. Adicionalmente, incertezas paramétricas na frequência de lead-lag das pás e a apresentação de uma falha estrutural nos atuadores são consideradas e, assim, novos controladores robustos são projetados a fim de expandir o envelope operacional da aeronave. Ainda, são considerados diferentes tipos de não-linearidades estruturais na rigidez e amortecimento do trem de pouso do helicóptero e a caracterização da estabilidade não-linear do sistema exibe oscilações em ciclo limite (LCO, Limit Cycle Oscillation), que são determinadas a partir da construção de Diagramas de Bifurcação. Utiliza-se a modelagem Fuzzy-TS do sistema para cada caso de estudo e, com base nas fronteiras de estabilidade não-linear do GR, definidas a partir dos Diagramas de Bifurcação, têm-se o projeto de controladores para supressão das LCOs do sistema. Os res... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present work proposes a new strategy for robust active suppression of Ground Resonance (GR) phenomenon in Helicopters. The classical model to analysis of this phenomenon is developed for an isotropic rotor and stability analysis is done in Coleman domain, to nd the boundaries of instability. It is also proposed a new strategy for dealing with these boundaries of instability and suppressing GR using controllers with polytopic convex hulls formulation. Controllers are designed via Linear Matrix Inequalities (LMIs), formulated according to the Lyapunov Stability Theory. Additionally, parametric uncertainties in the lead-lag frequency of the blades and actuators faults are considered and thus new robust controllers are designed to expand the aircraft operating envelope. Also, di erent types of structural nonlinearities in the landing gear sti ness and damping of the helicopter are considered, and the characterization of the nonlinear stability of the system exhibits Limit Cycle Oscillation (LCO), which are determined from the construction of Bifurcation Diagrams. Fuzzy-TS modeling is used for each case study and, based on the nonlinear stability boundaries of the GR, de ned from the Bifurcation Diagrams, the controllers to suppress the LCO are designed. The results of numerical simulations, discussions and conclusions are presented and show that the control strategy proposed is an attractive solution to suppress the linear and nonlinear GR problem, being able to expand the o... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e as análises de técnicas de controle aplicadas a uma base de movimento de um simulador de vôo. Nos primeiros capítulos são abordados aspectos relacionados com a simulação de movimentos. Uma breve descrição da dinâmica da aeronave e o desenvolvimento do algoritmo de movimento (washout filter) são apresentados. O modelo dinâmico da base de movimento é desenvolvido baseado num manipulador paralelo de seis graus de liberdade chamado de plataforma de Stewart acionado eletricamente. As equações de movimento do atuador eletromecânico são incluídas no modelo dinâmico da plataforma. O controle baseado na dinâmica inversa é uma alternativa para abordar o controle de sistema mecânicos não lineares como a plataforma de Stewart. Porém, essa técnica considera o conhecimento exato do modelo dinâmico do sistema, portanto, a dinâmica não modelada, as incertezas paramétricas e as perturbações externas podem degradar o desempenho do controlador. Além disso, o custo computacional pago pelo cálculo do modelo dinâmico realizado online é muito alto. Nesse contexto, duas estratégias de controle foram aplicadas na malha externa da estrutura de controle baseada na dinâmica inversa para o controle de aceleração na presença de incertezas paramétricas e da dinâmica não modelada, os quais foram introduzidas intencionalmente no processo de aproximar o modelo dinâmico com o objetivo de simplificar a implementação do controle baseado na dinâmica inversa. Na primeira estratégia, o termo robusto de controle foi projetado, provando a estabilidade do sistema linearizado por meio da teoria de estabilidade de Lyapunov. Este controle apresenta o fenômeno conhecido como chattering e então foi adotada uma função de saturação para substituir a lei de controle. Na segunda estratégia, o termo robusto de controle foi projetado considerando um problema de rejeição de distúrbio via controle H \'INFINITO\', onde o controlador considera as incertezas como distúrbios afetando o sistema linearizado resultante da aplicação do controle baseado na dinâmica inversa. Finalmente, três tipos de testes foram realizados para avaliar o sistema de controle: função descritiva, limiar dinâmico e algumas manobras da aeronave calculadas a partir do modelo dinâmico e transformadas através do algoritmo de movimento. As duas estratégias de controle foram comparadas. / This work presents the development and analysis of control techniques applied to a flight simulator motion base. The first chapters deal with subjects related to motion simulation. A brief description of the aircraft dynamic model and the development of the motion algorithm (washout filter) are presented. The motion base dynamics is derived based on a six degree of freedom parallel manipulator driven by electromechanical actuators. The six degree of freedom parallel manipulator is called Stewart platform. The motion equations of the electromechanical actuators are included in the motion base dynamics. Inverse dynamics control is an approach to nonlinear control design, nonetheless, this technique is based on the assumption of exact cancellation of nonlinear terms, therefore, parametric uncertainty, unmodeled dynamics and external disturbances may deteriorate the controller performance. In addition, a high computational burden is paid by computing on-line the complete dynamic model of the motion-base. Robustness can be regained by applying robust control tecniques in the outer loop control structure. In this context, two control strategies were applied in the outer loop of the inverse dynamics control structure linearized system for robust acceleration tracking in the presence of parametric uncertainty and unmodeled dynamic, which are intentionally introduced in the process of approximating the dynamic model in order to simplify the implementation of this approach, the inverse dynamic control. Both control strategies consist of introducing an additional term to the inverse dynamics controller which provides robustness to the control system. In the first strategy, the robust control term was designed proving the stability of the linearized system in the presence of uncertainties, using the Lyapunov stability theory. This control term presents a phenomenon known as chattering. Therefore, a saturation function was adopted to replace the control law. In the second strategy, the robust term was designed for a disturbance rejection problem via H \'INFINITE\' control, where the controller considers the uncertaities as disturbances affecting the linearized system resulting from the application of the inverse dynamic control. Finally, describing function, dynamic threshold and some maneuvers computed from the washout filter were used to evaluate the performance of the controllers. Both approaches were compared.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e as análises de técnicas de controle aplicadas a uma base de movimento de um simulador de vôo. Nos primeiros capítulos são abordados aspectos relacionados com a simulação de movimentos. Uma breve descrição da dinâmica da aeronave e o desenvolvimento do algoritmo de movimento (washout filter) são apresentados. O modelo dinâmico da base de movimento é desenvolvido baseado num manipulador paralelo de seis graus de liberdade chamado de plataforma de Stewart acionado eletricamente. As equações de movimento do atuador eletromecânico são incluídas no modelo dinâmico da plataforma. O controle baseado na dinâmica inversa é uma alternativa para abordar o controle de sistema mecânicos não lineares como a plataforma de Stewart. Porém, essa técnica considera o conhecimento exato do modelo dinâmico do sistema, portanto, a dinâmica não modelada, as incertezas paramétricas e as perturbações externas podem degradar o desempenho do controlador. Além disso, o custo computacional pago pelo cálculo do modelo dinâmico realizado online é muito alto. Nesse contexto, duas estratégias de controle foram aplicadas na malha externa da estrutura de controle baseada na dinâmica inversa para o controle de aceleração na presença de incertezas paramétricas e da dinâmica não modelada, os quais foram introduzidas intencionalmente no processo de aproximar o modelo dinâmico com o objetivo de simplificar a implementação do controle baseado na dinâmica inversa. Na primeira estratégia, o termo robusto de controle foi projetado, provando a estabilidade do sistema linearizado por meio da teoria de estabilidade de Lyapunov. Este controle apresenta o fenômeno conhecido como chattering e então foi adotada uma função de saturação para substituir a lei de controle. Na segunda estratégia, o termo robusto de controle foi projetado considerando um problema de rejeição de distúrbio via controle H \'INFINITO\', onde o controlador considera as incertezas como distúrbios afetando o sistema linearizado resultante da aplicação do controle baseado na dinâmica inversa. Finalmente, três tipos de testes foram realizados para avaliar o sistema de controle: função descritiva, limiar dinâmico e algumas manobras da aeronave calculadas a partir do modelo dinâmico e transformadas através do algoritmo de movimento. As duas estratégias de controle foram comparadas. / This work presents the development and analysis of control techniques applied to a flight simulator motion base. The first chapters deal with subjects related to motion simulation. A brief description of the aircraft dynamic model and the development of the motion algorithm (washout filter) are presented. The motion base dynamics is derived based on a six degree of freedom parallel manipulator driven by electromechanical actuators. The six degree of freedom parallel manipulator is called Stewart platform. The motion equations of the electromechanical actuators are included in the motion base dynamics. Inverse dynamics control is an approach to nonlinear control design, nonetheless, this technique is based on the assumption of exact cancellation of nonlinear terms, therefore, parametric uncertainty, unmodeled dynamics and external disturbances may deteriorate the controller performance. In addition, a high computational burden is paid by computing on-line the complete dynamic model of the motion-base. Robustness can be regained by applying robust control tecniques in the outer loop control structure. In this context, two control strategies were applied in the outer loop of the inverse dynamics control structure linearized system for robust acceleration tracking in the presence of parametric uncertainty and unmodeled dynamic, which are intentionally introduced in the process of approximating the dynamic model in order to simplify the implementation of this approach, the inverse dynamic control. Both control strategies consist of introducing an additional term to the inverse dynamics controller which provides robustness to the control system. In the first strategy, the robust control term was designed proving the stability of the linearized system in the presence of uncertainties, using the Lyapunov stability theory. This control term presents a phenomenon known as chattering. Therefore, a saturation function was adopted to replace the control law. In the second strategy, the robust term was designed for a disturbance rejection problem via H \'INFINITE\' control, where the controller considers the uncertaities as disturbances affecting the linearized system resulting from the application of the inverse dynamic control. Finally, describing function, dynamic threshold and some maneuvers computed from the washout filter were used to evaluate the performance of the controllers. Both approaches were compared.