As turbinas a gás são uma importante máquina geradora de potência, fornecendo propulsão mecânica para os transportes aéreos e marítimos, bem como utilizadas na geração de energia elétrica. Para realizar o desenvolvimento do sistema de controle destas complexas máquinas é necessária a criação de modelos matemáticos apurados que representem as condições de operação em regime permanente e regime transitório, prevendo situações que afetam a segurança e desempenho do motor. Este documento descreve o modelo dinâmico não-linear com sistema de controle para um turboeixo utilizado na geração de energia elétrica. A modelagem foi realizada em módulos para cada componente do motor, de forma que suas equações dinâmicas descrevam as situações transitórias. Foram desenvolvidos dois controladores um básico e outro supervisório com as malhas regulatórias em regime permanente, regime transitório e proteção dos limites. A estratégia de controle busca manter o turboeixo operando em regiões de melhor desempenho, mantendo a rotação de referência constante, além de proteger dos fenômenos de bombeamento, apagamento da chama, sobrevelocidade e superaquecimento. Para sintonia dos controladores foram utilizadas técnicas de otimização, com uma função objetivo, descrita a partir do erro em regime. Outro ponto desenvolvido foi à lógica de partida, com as séries de operações para a sequência dos estados. Por fim, foram apresentados os resultados obtidos para uma condição de operação com perturbações na carga do gerador elétrico, observando a ação das estratégias de controle, aumentando a segurança global do turboeixo.

Turbinas a gás são máquinas de fluxo que utilizam a energia liberada em um processo de combustão para produzir potência de eixo ou tração, fornecendo energia cinética rotacional para geração de energia elétrica ou mecânica, como, por exemplo, para transporte aéreo e marítimo. Nas últimas décadas têm-se observado grande interesse mundial em pesquisas na área de turbinas a gás. Há várias causas pelas quais estes estudos estão em crescimento, quando comparados, por exemplo, com motores a diesel, tais como: maiores faixas de potência, peso por unidade de potência muito menor, baixa emissão de poluentes, capacidade de funcionar com multicombustíveis, menores níveis de vibração, menores custos de manutenção, geralmente mais baratos, dentre outras vantagens, como citado em Walsh (2004). Voltando-se para o Brasil, percebem-se também empenhos significativos para desenvolver estudos neste campo, levando-se em consideração o interesse em deter conhecimentos tanto para aplicação industrial quanto para uso aeronáutico. Dentro deste contexto encontram-se as pesquisas na área de sistemas de controle, inclusive modelagem e identificação de sistemas. No presente trabalho apresenta-se uma abordagem em identificação de sistemas utilizando dados gerados por um simulador de turbinas a gás de eixo simples, com a finalidade de se encontrar parâmetros e utilizá-los na criação de modelos representativos deste simulador. Este tipo de trabalho, a partir de dados amostrados, pode servir como ferramenta para desenvolver estratégias de controle. Neste caso, tem-se por objetivo avaliar os modelos obtidos, comparando suas respostas com as correspondentes respostas amostradas pelo simulador, o qual, a partir de agora, será chamado de turbina a gás de referência (TR). Para fazer isso, são realizadas simulações com o emprego de modelos lineares autorregressivos com entradas externas (ARX), onde os valores dos parâmetros são calculados utilizando dados de entrada e saída gerados pela TR. São realizados dois estudos de caso para este tipo de motor, utilizando modelos multivariáveis, a primeira análise é feita através de blocos separados, com múltiplas entradas e uma única saída (MISO) e a segunda, onde se analisa a turbina a gás como um único bloco com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Estes estudos são realizados com a finalidade de obterem-se modelos matemáticos mais adequados para serem ferramentas em projetos de sistemas de controle.

Atrasos de tempo decorrentes de transporte de massa, medidas, comunicação ou processamento computacional podem prejudicar o desempenho ou mesmo instabilizar uma malha de controle. Desse modo, é conveniente considerar o atraso no projeto do controlador. Porém o atraso na prática pode ser desconhecido ou sofrer alterações, seja por mudanças nas condições de operação ou falhas em componentes do sistema. Em tais situações, seria desejável adotar uma estratégia de controle que garanta estabilidade e atendimento a restrições operacionais mesmo na presença de incertezas sobre o atraso. Para esse propósito, emprega-se aqui uma técnica de controle preditivo robusto, que utiliza desigualdades matriciais lineares, para incorporar explicitamente incertezas de modelo na formulação do problema. Vale ressaltar que a lei de controle assim obtida pode ser demasiadamente conservadora em termos de desempenho e domínio de atração, se as incertezas forem caracterizadas de forma muito imprecisa. Por isso, pode ser de valia o uso de métodos de estimação que permitam reduzir a gama de possíveis atrasos a partir de um conjunto inicial de valores admissíveis. Neste contexto, as contribuições deste trabalho são as seguintes: (1) Desenvolvimento de um método para aproximação do domínio de atração do controlador por meio da envoltória convexa de pontos extremos; (2) Proposição de um estimador para determinação de valores de atraso consistentes com medidas ruidosas do estado da planta, a um dado nível de significância; (3) Utilização do estimador de atraso em conjunto com o controlador preditivo. Por meio de exemplos numéricos, observa-se que a redução na incerteza sobre o atraso é útil para ampliar o domínio de atração do controlador e melhorar o desempenho durante transitórios. Simulações de Monte Carlo são empregadas para ilustrar o funcionamento do estimador proposto. Por fim, apresentam-se resultados referentes ao uso do estimador em conjunto com o controlador preditivo. Para isso, considera-se um cenário de simulação no qual a referência para a malha de controle é periodicamente chaveada entre dois valores. A estimativa é atualizada a cada semi-ciclo de modo a levar em conta possíveis alterações no atraso. Os resultados mostram que a redução na incerteza resultante do uso do estimador propicia um melhor desempenho em malha fechada, em comparação com o uso de uma lei de controle que considera todos os possíveis valores de atraso.

A formação do Controlador de Tráfego Aéreo (ATCO - Air Traffic Control Officer), no Brasil, é realizada em duas instituições do Comando da Aeronáutica (COMAER): na Escola de Especialistas de Aeronáutica (EEAR), subordinada ao Departamento de Ensino da Aeronáutica (DEPENS), e no Instituto de Controle do Espaço Aéreo (ICEA), subordinado ao Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA). Ocorre, ainda, pós-formação no ICEA e o Curso Superior de Tecnologia em Controle de Tráfego Aéreo no Centro de Instrução e Adaptação da Aeronáutica (CIAAR). Esta dissertação se justifica pela observação de que os programas dos cursos de formação e habilitação operacional em controle de tráfego aéreo (fase teórica e prática), da EEAR, do ICEA e dos órgãos prestadores de serviço de controle de tráfego aéreo (ATC), por não apresentarem uma padronização, poderiam não estar em conformidade com as exigências nacionais. Assim, o objetivo geral deste trabalho foi analisar os cursos de formação e os programas de habilitação operacional do controlador de tráfego aéreo brasileiro, segundo a legislação nacional vigente. O presente trabalho adotou uma abordagem qualitativa, utilizando-se do método comparativo, com a finalidade de verificar similitudes e explicar divergências, sendo caracterizado como um estudo descritivo. Quanto aos procedimentos técnicos utilizados, possuiu um delineamento de pesquisa documental, pois buscou as informações em documentos oficiais, tais como: Currículos Mínimos e Planos de Unidades Didáticas dos cursos de formação em Controle de Tráfego Aéreo; Instruções e Circulares do Comando da Aeronáutica; e Normas Reguladoras dos cursos de formação da EEAR e do DECEA. A coleta dos dados foi realizada, primeiramente, por meio de uma leitura detalhada dos documentos citados, procurando-se estabelecer relações entre alguns aspectos considerados como básicos para a análise, tais como: cargas horárias, unidades curriculares, programas de instrução, entre outros. Foram elaboradas tabelas descritivas, contendo informações relativas a cada curso. O trabalho de análise comparativa envolveu a verificação da compatibilidade dos diferentes cursos, tanto entre os ministrados pela EEAR, quanto entre os cursos do ICEA e, também, fazendo uma confrontação entre os cursos das duas unidades de ensino. Foi também realizada uma análise dos critérios para a concessão do certificado de habilitação técnica em controle de tráfego aéreo (CHT) e dos programas de habilitação operacional praticados nos órgãos ATC, condição para a concessão supracitada. Finalmente, foi elaborado um quadro comparativo, apontando as principais divergências encontradas. Os resultados apontam uma falta de padronização nos cursos analisados, oferecidos pelas duas Instituições de Ensino e, também, nos programas locais de habilitação operacional, já que não possuem uma padronização do planejamento, da execução e das avaliações. Entre as principais diferenças, foram encontrados dados que indicam cargas horárias e conteúdos diferentes, entre os cursos ministrados nas duas unidades de ensino. Estas diferenças significativas foram identificadas nos cursos que formam os ATCO militares, bem como nos oferecidos aos civis, servidores públicos ou privados. Entre as recomendações para melhorias na formação dos ATCO, bem como dos demais profissionais prestadores de serviços de navegação aérea, esta pesquisa indica a necessidade de se criar um Grupo de Trabalho Permanente (GTP), composto por integrantes dos setores de ensino da EEAR e do ICEA, responsáveis pelos cursos de formação em Controle de Tráfego Aéreo, de forma que haja um gerenciamento da informação (ICEA), para garantir a uniformidade dos documentos de ensino adotados em todos os cursos e, consequentemente, a observância das prescrições nacionais.

The unmanned aerial vehicles (UAVs) has grown in military and civilian areas of application. Several industries (automotive, military, factories, space, etc.) use robots for dangerous and repetitive tasks. This work is dedicated to a special type of aerial platforms which has grown considerably in recent years, the quadricopter. These UAVs that has been highlighted by having ight characteristics and construction only, for example, hovering flight, vertical takeoff and landing, high maneuverability, low speed flight, and simple mechanics. This work proposes a tool for simulation and visualization of an aerial air-type quadricopter robots, using the flight simulator X-Plane 9, Matlab and Simulink. The aircraft under study is the so-called ITA-001, developed by the quadricopter study group the Aeronautical Institute of Technology. Started up by modeling quadricopter ITA-001 in flight simulator X-Plane, then this simulator has been interfaced with Simulink platform to build a computational simulation platform that meets to the requirements of research and educational group study quadricopter ITA.

This thesis deals with the control of nonlinear systems governed by nonlinear state equations of the form =f(x)+g(x)u with state and input constraints, and subjected to model uncertainties. Classical linearization methods lead to adequate results when the model is accurate and the reference signals are well-conditioned and have low amplitude. However, this may not be the case for inputs such as large steps or when uncertainties are not to be neglected. The problem of bounds on control and state variables is tackled by using the reference governor approach which guarantees that the constraints are satisfied for a general class of input commands while stability is also assured. The main idea behind the reference governor is to manage the reference signal which is supplied to the inner loop controller in such a way that violation of the constraints is avoided. Model uncertainties are treated by using fuzzy logic adaptation features. Fuzzy blocks are used in order to approximate the nonlinear functions f(x) and g(x) that appear in the state equations. This thesis also describes some theoretical difficulties encountered in some of previous work in the field, especially when fuzzy or neural estimators are used for the estimation of the nonlinear functions. Despite the apparent success (because the tracking error seems to be tending to zero), some subtle details related to the proof of stability are pointed out. Basically, the difficulties may stem from the fact that the Lyapunov method is used assuming that the tracking error converges to zero. Moreover, an external control signal us which acts like a sliding mode control is used to guarantee stability and it assumes that the function estimates converge to their real values. Here, it is shown that making use of this previous approach the tracking error does not tend to zero when t. An explicit equation for computing the steady-state error is presented. Moreover, despite many propositions for the introduction of an external control signal us to force stability, it is verified that its use is not necessary to assure the tracking error stability if some free parameters are properly initialized. Also, it is noted that the tracking error is bounded and can be reduced through a convenient choice of design parameters. Finally it is shown that in the method presented in the previous work, the estimates of f(x) and g(x) are not required to be accurate to achieve stability. In order to solve the detected theoretical problems, this thesis proposes a new approach for the control of the considered class of nonlinear systems. It also uses fuzzy blocks as estimators for f(x) and g(x). However, the proposed structure and the control and adaptation laws, are then applied so that the tracking error converges to zero and the function estimates converge to their real values.In order to highlight the controllers properties, a nonlinear and open-loop unstable magnetic levitation system is used as an example.

Este trabalho apresenta o projeto e implementação de um controlador digital utilizado paralelamente a um controlador analógico em um sistema de levitação magnética. A técnica utilizada para o projeto do controlador digital foi a linearização por realimentação, que permite um igual desempenho em toda a faixa de operação do sistema. Tanto o controlador analógico quanto o digital são compensadores de avanço de fase. Para o desenvolvimento do trabalho, adotou-se um modelo baseado nas equações diferenciais que regem o comportamento do sistema. Os parâmetros físicos envolvidos (massa do objeto levitado, ganhos do sensor e do atuador, constante de conversão eletromecânica) foram obtidos através de medições diretas. Para validação, medidas da resposta em freqüência do sistema para pequenos sinais foram comparadas com as predições do modelo. Feito o modelamento, foi projetado um sistema de ajuste do sinal de referência a fim de eliminar o erro em regime sem a necessidade de se introduzir um integrador na malha de controle. Por fim, foi implementado o controlador digital, que em testes de laboratório mostrou-se superior ao controlador analógico. A configuração empregada permite que tanto o controlador digital quando o paralelo possam ser desligados e religados isoladamente com o sistema em funcionamento. Desse modo, obtém-se uma melhoria de desempenho, bem como robustez a falhas no controlador.

Esta dissertação baseia-se em e estende os resultados contidos na dissertação "Reconfigurable Control Design for VLS (Brazilian Launcher)" apresentada na Universidade de Glasgow (Reino Unido) em 24/08/2000, sob a supervisão dos professores Colin Goodchild e Euan McGookin (Universidade de Glasgow) e Waldemar de Castro Leite Filho (CTA - ITA). Falhas em dispositivos, equipamentos ou sistemas podem degradar ou inutilizar os mesmos para a aplicação a que são destinadas. Se a falha for detectada e isolada de forma que uma ação corretiva seja tomada, então talvez o desempenho resultante ainda possa ser aceito. Mesmo assim, os desdobramentos resultantes da ocorrência de uma falha podem afetar dinamicamente o comportamento do sistema, levando em certos casos à perda de sua estabilidade. O caso em questão (lançador VLS) é definido pela presença de sensores sem redundância fisica. Falhas destes sensores podem ocasionar transitórios nos dispositivos de atuação (tubeiras móveis) suficientes para instabilizar o lançador. Considerações a respeito do projeto do controlador são feitas baseadas nestas implicações. Adicionalmente, um esquema FDIR (Fault Detection, Isolation and Control Reconfiguration) é adotado durante a fase de simulação de forma a ilustrar-se as idéias descritas neste trabalho. O controlador reconfigurável usado no esquema FDIR está sujeito às restrições físicas do lançador (software embarcado e velocidade de processamento do computador de bordo) e também aos requisitos de confiabilidade. A concepção mais simples para o controlador é baseada no conceito de redundância analítica, ou seja, na presença de uma falha corretamente detectada e isolada, descarta-se o sensor com falha e usa-se o respectivo valor estimado, obtido a partir do sensor remanescente. Dois sistemas de controle - um convencional e outro tolerante a falha - foram avaliados em relação à estabilidade, índices de desempenho e amplitude da perturbação devido a falha de sensor sobre o sinal de atuação. Em seguida, foram feitas simulações com o modelo detalhado do sistema de controle considerando as mesmas falhas e condições. A partir daí são sugeridas modificações na metodologia de projeto baseadas nesta aplicação crítica - o veículo lançador VLS, cuja planta exibe dinâmica instável durante o vôo. A nova metodologia é atrativa pois reduz as chances de instabilização do veículo e permite a recuperação de parte dos índices de desempenho mesmo para panes de sensor, considerando-se falhas ou panes corretamente detectadas e isoladas.

The well-known capacity of the neural networks structures to approximate functions and nonlinear systems, to any degree of accuracy, on a compact domain, has motivated its use in actual control problems where the presence of uncertainties is inevitable. Neural networks models can be used to parameterize unknown nonlinearities, hence, the linear parameterization assumption typically imposed in most nonlinear adaptive control designs can be avoided. Several works, based on Lyapunovs stability theory have demonstrated the feasibility, stability properties and performance characteristics of such schemes. However, most of such controllers are only applicable to some classes of SISO uncertain nonlinear systems. Hence, in this dissertation we propose neural networks based adaptive algorithms for identification, adaptive observation, state feedback and output feedback control for more general classes of nonlinear systems. Initially, we introduce a nonlinear adaptive observer for MIMO unknown general nonlinear systems. The proposed observer uses linearly parameterized neural networks whose weights are adaptively adjusted in a suitable form to guarantee stability for the state and weight estimation errors. No strictly positive real (SPR) assumption on the output error equation is required for the construction of the proposed observer. Next, we consider the adaptive tracking control of unknown general nonlinear systems with full state measurement. Bounded linearly parameterized approximators for adaptive compensation of unknown nonlinearities and usual Lyapunov arguments are used to design two controllers that guarantee semi-globally uniform ultimate boundedness (UUB) for all signals in closed loop. In the first scheme, where only adaptive control action is used, it is shown that all signals in closed loop are UUB. The second controller preserves the stability properties of the first, and in addition, by incorporating a variable proportional control action, it is shown that the tracking error converges to a residual set whose size can be arbitrary pre-specified by the designer without small approximation errors and without high gains in the feedback loop. The proposed controllers have advantageous features, such as robustness and the possibility of regulating the control signal effort and rate. Finally, we develop an output feedback tracking controller for a class of MIMO unknown nonlinear systems. By using an adaptive observer, which is similar to the previously introduced, and usual Lyapunov arguments, a controller is designed. It is proved that the output converges to a neighborhood of the desired trajectory. Moreover, the proposed controller enables control effort manipulation in order to satisfy physical limitations of the actuators.

A proposta de uma metodologia para o projeto de controladores automáticos inteligente e a aplicação de tal metodologia visando o controle ativo de vibrações mecânicas, configuraram-se desde o início nos dois objetivos principais da pesquisa que resultou neste texto. O controle ativo de vibrações mecânicas seria feito através da atuação de controladores automáticos em um sistema eletromecânico proposto com base no princípio da alavanca cujo objetivo é propiciar uma significativa redução na transmissão de vibrações entre uma fundação, ou base, e uma carga útil que uma vez colocada sobre o sistema eletromecânico proposto deve ser mantida isolada de tais vibrações. O sistema eletromecânico que foi concebido é descrito e três modelos são então construídos para representá-lo. Um modelo não-linear que, por ser considerado uma representação mais fiel do sistema físico proposto, é usado durante todas as etapas de projeto de controladores como o modelo de validação. Um segundo modelo é obtido via linearização por truncamento dos termos de ordem superior da expansão em série de Taylor do modelo não-linear. Um terceiro modelo é obtido considerando-se, ao longo do processo de modelamento, certas hipóteses simplificadoras e também resulta ser um modelo linear. Pelas facilidades vastamente conhecidas em se trabalhar com sistemas lineares, os dois modelos lineares são utilizados como modelos de projeto para obtenção e análises de controladores que são posteriormente validados utilizando-se o modelo não linear. Desta forma, após uma breve descrição das metodologias envolvidas, controladores robustos do tipo LQG/LTR e controladores nebulosos são projetados utilizando-se ambos os modelos lineares e em seguida submetidos a testes de validação através de simulações computacionais que utilizam o modelo não-linear. Por fim, com base em algumas metodologias oportunamente apresentadas, a proposta de uma arquitetura de controle para fusão de múltiplos controladores através de supervisão hierárquica inteligente é apresentada e um controlador hierárquico inteligente é projetado de maneira a efetuar a fusão dos sinais gerados por um controlador LQG/LTR e um controlador nebuloso. A proposta do sistema eletromecânico para isolamento de vibrações, a obtenção dos modelos, os projetos e análises dos controladores robustos e nebulosos, além de conclusões a respeito da validade das simplificações no processo de obtenção do modelo para fins de projeto, somam-se a própria proposta da arquitetura baseada em supervisão inteligente para fusão de controladores no sentido de compor a modesta contribuição que se espera este texto possa trazer a futuras pesquisas nestas áreas.