Nos últimos cinquenta anos, compensadores do tipo proporcional integral (PI) vêm sendo extensivamente estudados, sendo o seu problema já bem entendido e amplamente aplicado na indústria. Este trabalho contribui com as pesquisas de desenvolvimento de sistemas de controle tolerante a falhas em sistemas com compensação PI, usando a técnica de alocação de controle. Uma das principais vantagens de se usar essa técnica é de que as restrições nos atuadores podem ser levadas em conta, além do que se um atuador falha em produzir seu controle efetivo, outro atuador pode ser usado para compensar e manter o sistema nas condições desejadas. São apresentadas diversas simulações em que variáveis da aeronave são rastreadas, e são simulados travamentos de superfícies do ADMIRE, um modelo de simulação de uma aeronave desenvolvido pela Agência de Pesquisa Aeroespacial Sueca (FOI). Os resultados mostram que a alocação de controle é capaz de redistribuir os comandos entre as superfícies remanescentes e manter a aeronave em condições estáveis de voo.

A exigência de continuidade operacional em processos críticos mesmo sob a ação de falhas de atuadores requer sistemas de controle que sejam capazes de manter o sistema em funcionamento, mesmo com desempenho afetado, até uma possível intervenção de manutenção. Neste contexto, o controle preditivo se mostra uma estratégia apropriada para mitigação dos efeitos de falhas, por permitir o tratamento explícito de restrições de entrada e saída do sistema. Este trabalho apresenta uma abordagem de controle preditivo para acomodação de falhas que resultem em uma perda de efetividade dos atuadores. Para esse propósito, assume-se que o atuador esteja sujeito a efeitos de degradação que progridam com taxa proporcional ao esforço de controle. Por simplicidade, considera-se que a perda de efetividade ocorra de forma abrupta quando a degradação atinge um limiar intermediário entre a condição nominal de operação e a perda total do atuador. Sob essas condições, a dinâmica do sistema pode ser representada por um modelo de sistema h?brido utilizando a representação MLD (Mixed Logical Dynamical). Como resultado, a lei de controle preditivo envolve a solução de um problema de programação mista inteira a ser resolvido a cada instante de amostragem. A abordagem proposta é ilustrada por meio de simulações numéricas.

A investigação dos mecanismos de perdas ópticas no componente multi-camada, responsável pela geração primária de energia nos geradores solares de satélites artificiais, o Solar Cell Assembly - SCA, proporcionou a identificação de uma perda óptica adicional, causada por um tipo de defeito de fabricação até então ignorado, e o desenvolvimento de duas metodologias voltadas para a otimização do projeto e da fabricação de SCA's. A primeira delas possibilita analisar o desempenho de um SCA vizando minimizar as perdas óptica. A segunda, baseada na aplicação da técnica fototérmica da fotorefletância induzida por laser, está voltada para a detecção de defeitos em SCA's e para a análise das variações de parâmetros de interesse para a fabricação. A aplicação da primeira metodologia, ao SCA utilizado no Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres - CBERS, demonstrou a existência de perdas ópticas elevadas neste SCA e apontou soluções que poderiam levar a um aumento significativo da potência gerada em órbita. A aplicação da segunda metodologia, ao mesmo SCA, identificou a existência de perdas por interferência óptica destrutiva causada por defeito de fabricação. A segunda metodologia permite, também, a quantificação das perdas por interferência óptica e a caracterização do defeito de fabricação que provoca essas perdas. As metodologias desenvolvidas possuem um potencial de aplicação para investigação de outros tipos de defeitos e em outro tipos de sistema multi-camada, não considerados neste trabalho de tese, sendo o horizonte de aplicações de natureza acadêmica muito mais amplo que o explorado no exemplo de aplicação prática utilizado neste trabalho. Essa é a primeira vez que se detecta e se quantificam perdas por interferência óptica em SCA e se disponibiliza uma metodologia para inspeção dessas perdas.

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.

Neste trabalho uma metodologia é proposta para a implementação de um ambiente computacional para detecção e diagnose de falhas (DDF) em sensores de manipuladores robóticos. Esse ambiente computacional é formado por um subsistem de simulação de manipuladores robóticos e por um subsistema de detecção e diagnose de falhas. O subsistema de simulação de manipuladores robóticos é composto por blocos básicos de simulação e controle de manipuladores robóticos, como o bloco da planta do manipulador que se deseja simular, o bloco do sistema de controle composto por controladores do tipo PID e torque computado (que podem ser selecionados e configurados pelo usuário), o bloco do planejador de tarefas e o bloco de sensores. O subsitema de detecção e diagnose de falhas usa um método de redundância de sensores baseado na integração dos valores medidos combinado com as equações estáticas do manipulador robótico. Um sistema especialista é usado como apoio ao subsistema de detecção e diagnose de falhas, onde são implementadas regras para melhorar a capacidade de diagnóstico e produzir uma possível compensação de falhas. Um exemplo aplicativo ilustra a metodologia proposta, o qual pode ser facilmente implementada e possui baixo custo de equipamento, pois utiliza sensores comuns disponíveis em muitos manipuladores robóticos. Entretanto, este método pode exigir um esforço computacional significante e indesejado, principalmente com a utilização de manipuladores robóticos com vários graus de liberdade. Porém, caso o esforço computacional seja considerado grande em determinadas aplicações, pode-se fazer uso de controladores e processadores dedicados (por exemplo, DSPs), rápidos e de baixo custo (atualmente muito comuns no mercado).

A constante evolução tecnológica na área de circuitos integrados, tem feito crescer o uso de sistemas computacionais em aplicações consideradas críticas, ou seja, aplicações nas quais o mau funcionamento pode provocar grandes perdas econômicas, ou causar danos a vidas humanas e ao meio ambiente. Estes sistemas exigem o uso de técnicas de tolerância a falhas, como mais uma ferramenta para se conseguir cumprir os requisitos de confiabilidade definidos para o sistema. Algumas dessas aplicações críticas, tais como computadores de bordo de microssatélites, requerem grande capacidade de processamento e armazenamento. Estes requisitos muitas vezes não podem ser cumpridos por um sistema computacional centralizado, então é necessário o uso de um sistema distribuído. Os principais problemas na implementação de sistemas distribuídos tolerantes a falhas, estão relacionados à complexidade das tarefas de roteamento de mensagens e tolerância a falhas. Estas tarefas demandam um grande esforço de desenvolvimento, implementação e execução. Este trabalho apresenta uma análise do uso do dispositivo de roteamento dinâmico de mensagens ICR C416, em sistemas computacionais distribuídos tolerantes a falhas que utilizam o processador transputer. A aplicação escolhida para este trabalho é baseada no computador de bordo do primeiro Satélite de Aplicações Científicas Brasileiro SACI-1. É apresentada a arquitetura geral do hardware e do software do sistema proposto e são descritos seus algoritmos de roteamento de mensagens e de tolerância a falhas. Finalmente, é feita uma análise do comportamento deste sistema na presença de falhas. Esta análise é feita utilizando-se um software de simulação desenvolvido especialmente para esta finalidade.

Os sistemas computacionais embarcados em satélites ou naves espaciais devem satisfazer os requisitos funcionais para os quais foram projetados durante toda missão sem receber qualquer manutenção. Em geral, estes sistemas são fortemente redundantes, possuindo um número de unidades reservas suficiente para sobreviver durante missão sem que sua capacidade computacional seja comprometida. Este trabalho descreve um estudo realizado com o objetivo de selecionar a arquitetura de um Computador de Supervisão de Bordo para um satélite projetado para uma missão de 10 anos de duração em órbita terrestre. As arquiteturas candidatas são baseadas nas utilizadas nos computadores tolerantes a falhas desenvolvidos no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para satélites de curta duração. Cada arquitetura selecionada foi analisada considerando a confiabilidade do sistema em função do número de unidades reservas e da taxa de falhas do módulo de reconfiguração, os pontos de falhas simples que podem levar o sistema para um estado inoperante e a complexidade do módulo de reconfiguração.

Este trabalho revisita um método de detecção de falhas baseado em wavelets e propõe uma melhoria na técnica utilizando wavelets adaptativas, implementadas através de bancos de filtros. A dificuldade associada às restrições não-lineares de reconstrução perfeita dos filtros é contornada adotando uma abordagem descrita na literatura, que permite caracterizar os filtros utilizando um conjunto de parâmetros angulares livres de restrições. Esta parametrização é discutida no trabalho e algumas de suas características de relevância para a técnica proposta são demonstradas. A abordagem adotada para a parametrização dos filtros possibilita a utilização de algoritmos simples de busca para otimização sem restrições. Escolheu-se o algoritmo dos poliedros flexíveis, que minimiza localmente uma função de custo, partindo de uma condição inicial conveniente. Para definir tal ponto de partida, propõe-se nesse trabalho um algoritmo que permite a obtenção de um conjunto de parâmetros angulares que caracterize uma wavelet mãe tradicional. Para validação da técnica proposta, foi desenvolvido um esquema de computação analógica para simular a ocorrência de falhas abruptas em um servomecanismo. Três técnicas de detecção de falhas são utilizadas no processamento dos sinais experimentais: wavelets adaptativas, wavelets fixas e observadores de estados. Os resultados mostram que as técnicas baseadas em wavelets são menos susceptíveis a falsos alarmes, a falhas não detectadas e à diminuição na relação sinal/ruído, necessitando, contudo, de um tempo maior para detectar a ocorrência de uma falha que a técnica baseada em observadores de estados. Observa-se ainda que a introdução de wavelets adaptativas melhora o desempenho do sistema de detecção wavelet sem aumentar o seu atraso de resposta.

Face ao crescente uso de dispositivos eletrônicos portáteis, a Comissão Radio Técnica para Aeronáutica (RTCA) formulou um documento (DO-307) com orientações para o design e certificação de aeronaves para tolerância a dispositivos portáteis. Dentre os tipos possíveis de interferência desses dispositivos, são as emissões espúrias de radiofrequência que apresentam risco para o correto funcionamento da aeronave. A DO-307 estabelece um procedimento de teste e níveis de atenuação de sinal para cada faixa de frequência de operação de dispositivos críticos da aeronave. O presente trabalho aborda esse procedimento, e propõe pequenas alterações, e discute os resultados de um ensaio piloto realizado pela EMBRAER.

Este trabalho demonstra um método de controle tolerante a falhas. O desejo de criar um sistema de controle que faça com que a aeronave tenha respostas similares às entradas do piloto com ou sem uma falha no sistema de comando de vôo requer um conhecimento das possíveis falhas e como tratá-las. O método proposto integra a aeronave, a lei de controle não linear utilizando a técnica backstepping e a alocação de controle. A técnica de alocação de controle faz com que a lei de controle possa ser projetada independentemente do método de detecção da falha e do projeto do controlador.