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Funcionalidades de Controle Automatico Abordagens para o Projeto de Controladores SAS CAS Autopilot

Introducao ao Controle Automatico deAeronaves:

Tecnicas de Controle em Malha Fechada

Leonardo A. B. Torres

Novembro de 2017


Controle Automatico


1 Funcionalidades de Controle Automatico

2 Abordagens para o Projeto de ControladoresTecnicas Classicas Lineares: Diretrizes Gerais Comumente Adotadas

3 Stability Augmentation System

4 Control Augmentation System

5 Pilotagem Automatica


Controle Automatico


Funcoes do Sistema de Controle Automatico I

As varias funcionalidades providas pelo sistema de controle automaticoem malha fechada de uma aeronave podem ser agrupadas nas seguintescategorias, em ordem crescente de complexidade:

1 SAS (Stability Augmentation System): Sistema para Melhoria daEstabilidade.

2 CAS (Control Augmentation System): Sistema para Melhoria daControlabilidade.

3 Autopilot: Sistema para Pilotagem Automatica.


Controle Automatico


Funcoes do Sistema de Controle Automatico II

Pode-se dizer que o SAS garante maior estabilidade (malhas maisinternas), enquanto o CAS melhora o desempenho no contexto damanobrabilidade (malha intermediaria), e o Autopilot (malhas maisexternas) faz uso das melhorias obtidas com ambos os sistemas paradeixar a aeronave mais autonoma em relacao ao piloto.

Em geral as funcoes SAS e CAS sao executadas em computadoresdo FCS – Flight Control System, enquanto as funcoes Autopilot saoexecutadas nos computadores do AFCS – Automatic Flight ControlSystem.


Controle Automatico


Funcoes do Sistema de Controle Automatico III

SAS (Stability Augmentation System): Sistema para Melhoria daEstabilidade da aeronave por meio de um maior amortecimentodinamico decorrente da movimentacao automatica das superfıcies decontrole:

Roll damper .

Pitch damper .

Yaw damper .


Controle Automatico


Funcoes do Sistema de Controle Automatico IV

CAS (Control Augmentation System): Sistema para Melhoria daManobrabilidade. O objetivo e fornecer ao piloto uma dada respostadinamica desejada para cumprir a missao. Bastante utilizado emaeronaves militares de alto desempenho para auxiliar em fases devoo especıficas (e.g. rastreamento de alvos):

Roll rate.

Pitch rate.

Normal acceleration.

Lateral-directional CAS (curva com altos valores de α).


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Funcoes do Sistema de Controle Automatico V

Autopilot: Sistema para Pilotagem Automatica associado acontrole automatico de trajetoria. O objetivo e reduzir a carga detrabalho (workload) do piloto, deixando a aeronave mais autonoma:

Pitch attitude hold .

Altitude hold .

Mach hold .

Automatic Landing .

Bank angle hold .

Turn coordination.

Heading hold/VOR hold .


Controle Automatico


Full-Authority × Limited-Authority I

Notadamente em aeronaves civis, as acoes do sistema de controleautomatico sao comumente limitadas. Isto e, o AFCS/FCS, emgeral, nao tem “full authority”, isto e, ele somente pode efetuarparte da deflexao total possıvel de uma superfıcie ou comando. Oobjetivo e permitir ao piloto sobrepujar o FCS caso necessario, viaum caminho direto de atuacao mecanica ou eletronica.


Controle Automatico


Full-Authority × Limited-Authority II

AeronaveAFCS/FCSdo

Comandos

Piloto

medições

dos sensores

deflexões

Controle Automatico do tipo Full-Authority .


Controle Automatico


Full-Authority × Limited-Authority III

AFCS/FCS Aeronave

Cabos/hastes

conexões mecânicas

medições

dos sensores

do

Comandos

Piloto

deflexões

Controle Automatico do tipo Limited-Authority .


Controle Automatico


Tecnicas Classicas Lineares

Uso de modelos matematicos na forma de Funcoes de Transferencia (FT)SISO (Single-Input Single Output). Em geral a metodologia compreende:

1 Obtencao de diferentes condicoes de equilıbrio de voo (“trimagem”).

2 Linearizacao em torno de cada condicao obtida.

3 Separacao Longitudinal e Latero-direcional, com obtencao de FTspor eixo.

4 Estrategias:

Analise do Lugar das Raızes com alocacao de polos e zeros docontrolador.Compensacao em atraso, em avanco ou atraso-avanco (resp. emfreq.).Ajuste de cada uma das malhas de controle por vez (projetoMulti-Malha).Escalonamento de parametros/ganhos dos controladoresmulti-malha, se neessario (Gain-scheduling).


Controle Automatico


Tecnicas Modernas Lineares

Uso de modelos matematicos Lineares e Invariantes no Tempo, emEspaco de Estados, ou na forma de matrizes de Funcoes deTransferencia. A metodologia compreende:

1 Obtencao de diferentes condicoes de equilıbrio de voo (“trimagem”).

2 Linearizacao em torno de cada condicao obtida.

3 Separacao Longitudinal e Latero-direcional, com modelos MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) para cada caso.

4 Estrategias:

Regulacao Linear Quadratica (LQR).Uso de Observadores (Filtragem de Kalman; projeto LQG).Controle Robusto H∞ nos domınios do tempo ou da frequencia.Escalonamento de ganhos dos controladores MIMO via diferentesabordagens.


Controle Automatico


Tecnicas Nao Lineares

A despeito das tecnicas vistas anteriormente serem, de fato, nao lineares,tendo em vista o uso de escalonamento de ganhos, pode-se considerar oprojeto direto de estrategias nao lineares seguindo a linha metodologica:

1 Especificacao da Fase de Voo e da Missao.

2 Obtencao do modelo completo nao linear de corpo rıgido.

3 Possıvel simplificacao do modelo via separacao Longitudinal eLatero-direcional.

4 Estrategias:

Inversao Dinamica (Linearizacao por Realimentacao de Estados).Controle Adaptativo.Controle por Estrutura Variavel (sliding modes).Controle baseado em Passividade.Etc...


Controle Automatico


Tecnicas Classicas Lineares: Diretrizes Gerais Comumente Adotadas

Tecnicas Classicas Lineares: Diretrizes Gerais I

Projeto Multi-malha: ignora-se o acoplamento entre malhas decontrole, fechando-se cada malha separadamente, e de formarazoavelmente independente.


Controle Automatico



Tecnicas Classicas Lineares: Diretrizes Gerais II

Para representar o limite maximo de velocidade de deflexao de umasuperfıcie ou de um comando (de fato um efeito nao linear), osatuadores sao descritos por modelos lineares de 1a ordem:

Gatua(s) =λ

s+ λ=

1

τs+ 1; 0,1 s < τtıp. < 0,2 s.


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Tecnicas Classicas Lineares: Diretrizes Gerais III

Uso de filtros passa-baixas e/ou fusao sensorial para eliminacao deruıdo, particularmente para medicoes do angulo de ataque α (muitoafetadas por turbulencia).

Uso de filtros para eliminacao de frequencias de ressonanciaassociadas a modos de flexao/torsao estruturais, em se tratando demedicoes usando acelerometros e girometros (medicoes inerciais).


Controle Automatico


SAS: Eixo de Arfagem I

AeronaveG (s)atua

δelev

Sensor

AOA

Filtro

RuídoK

α

Filtro

Ruído

α

qGirom.

q

Kq

q

u


Controle Automatico


SAS: Eixo de Arfagem II

Objetivo: melhorar o amortecimento do modo perıodo-curto.

Tenta-se primeiro apenas usar realimentacao de q, por ser menosruidosa. Porem, e preciso observar o posicionamento do girometropara minimizar a captacao de modos estruturais.

Caso seja necessario, incluir realimentacao de α (porem, medicao emais lenta e ruidosa). Pode-se lancar mao de estimadores de α combase em medicao da aceleracao normal an (sinal da unidade demedicao inercial que e menos ruidoso).

Observar sinal consistente com convencao positiva para deflexao dasuperfıcie (profundor), e incluir sinal negativo se necessario.


Controle Automatico


SAS: Amortecedor de Guinada (Yaw Damper) I

δail

δrud

Filtro

P.B.K

r

Filtro

Ruído

Filtro

Ruído

Filtro

M. Estrut.K

p

u2

u1

rGirom.

pGirom.

G (s)atuap

G (s)atuar r

Filtro "Washout"

Aeronave

p

Passa−Altas


Controle Automatico


SAS: Amortecedor de Guinada (Yaw Damper) II

Objetivo: aumentar o amortecimento do modo Dutch-Roll .

Uso do filtro passa-altas na realimentacao de r para nao prejudicar aexecucao de curvas coordenadas (coordinated turns).

Filtro para eliminar acoplamento com modo de torcao estrutural dafuselagem induzido pelo rolamento, na medicao de p.

Observar sinais consistentes com convencao positiva para deflexoesdas superfıcies (aileron e leme), e incluir sinais negativos, casonecessario.


Controle Automatico


CAS: Controle de Velocidade de Arfagem I

AeronaveG (s)atua

δelev

Sensor

AOA

Filtro

RuídoK

α

Filtro

Ruído qGirom.

Kpq

ref Ti

1

s α

qq


Controle Automatico


CAS: Controle de Velocidade de Arfagem II

Objetivo: obter controle preciso de q, pois isso leva a melhorrastreamento de alvos, e tambem interessante na manobra deaproximacao para pouso. Busca-se um comportamento “dead-beat”,isto e, tempo de subida mınimo, tempo de acomodacao baixo, compouca ou nenhuma sobre-elevacao percentual.

Na configuracao alternativa (linha pontilhada), realimenta-se qatraves do canal de controle proporcional, e elimina-se a parcelaproporcional ao erro. Isto promove menor sobre-elevacao paramudancas em degrau na referencia qref.


Controle Automatico


CAS: Controle de Aceleracao Normal I

AeronaveG (s)atua

δelev

Filtro

Ruído

Kpa

n/ref

qGirom.

an

Ti

1

s q

Kq

IMU

accel.


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CAS: Controle de Aceleracao Normal II

Objetivo: controlar diretamente a forca-g (aceleracao normal)sentida pelo piloto, permitindo ao mesmo alcancar maxima razao decurva (turn-ratio) mantendo sua integridade fısica e a integridadeestrutural da aeronave.

E importante que o acelerometro esteja colocado em um “no” domodo de flexao da fuselagem, de modo a nao captar essa influencia.

Em geral e necessario usar escalonamento de ganhos, uma vez que asensibilidade de an para comandos de profundor varia muito com apressao dinamica.

E difıcil estabelecer um bom compromisso entre controle de q e dean. O melhor e buscar atender ao criterio C∗ visto anteriormente,que e um sinal fictıcio que combina, de forma ponderada,contribuicoes de q e an.


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Referencias Bibliograficas I

Wayne Durham.Aircraft flight dynamics and control.John Wiley & Sons, Ltd., 2013.

Brian L. Stevens and Frank L. Lewis.Aircraft Control and Simulation.John Wiley & sons, Inc., 1992.


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