Dissertação

{en_GB=Incremental Backstepping Control of Fixed-Wing Commercial Aircraft under Uncertainties} {} EVALUATED

{pt=De forma a proporcionar a certificação de técnicas avançadas de controlo de voo não linear, diferentes métodos não lineares incrementais têm sido propostos para ultrapassar os desafios intrinsecamente colocados pelo uso de sistemas de controlo de voo baseados em conhecimento exato do modelo da aeronave a controlar, tal como a metodologia de Gain Scheduling (GS). Esta tese apresenta a análise, o projeto, e a implementação da promissora técnica de Incremental Backstepping (IBKS) para o controlo de orientação e velocidade de uma aeronave de asa fixa. As principais contribuições desta tese residem numa prova analítica de estabilidade mais completa, baseada na Teoria de Estabilidade de Lyapunov, do IBKS em cascata, e a proposta de uma hibridização do IBKS em cascata e do sliding mode control (IBKS-SMC). Simulações numéricas para as três técnicas de controlo (GS, IBKS, IBKS-SMC) foram realizadas. Quando comparado com o controlador GS, os controladores incrementais conseguem obter um desempenho similar para condições de baixa turbulência, e mostram ter um desempenho superior para condições de turbulência severa e falhas súbitas na atuação. No que diz respeito ao IBKS-SMC, este controlador teve um desempenho melhor que o controlador IBKS a custo de uma atuação mais ruidosa e uma implementação mais dificultada. Os resultados desta dissertação mostram o grande potencial do procedimento backstepping quando aliado à metodologia de controlo incremental no que concerna a robustez e desempenho de sistemas complexos sujeitos a perturbações externas severas e falhas na atuação, comprovado com os resultados obtidos em simulações realistas de um Boeing 747., en=In order to bring certification of advanced nonlinear flight control techniques a step further, different types of incremental nonlinear control methods have been proposed to overcome the challenges that are intrinsically imposed by the use of model-based flight control systems such as Gain-Scheduling (GS). This thesis presents an analysis, design, and implementation of the promising Incremental Backstepping (IBKS) framework for attitude and airspeed control of a fixed-wing aircraft under the presence of external disturbances and model uncertainties. The main contributions of this thesis reside in a more complete analytical proof of stability for the two-stage IBKS controller based on Lyapunov theory and the proposal of an hybridization of the two-stage IBKS controller and sliding mode control (IBKS-SMC). Numerical simulations for three control architectures (GS, IBKS, IBKS-SMC) are performed under the presence of model uncertainties, severe external disturbances, and sudden actuator failures. When compared to the GS controller, the incremental controller performed similarly for flight in low-turbulence conditions, and outperformed for flight under severe turbulence conditions, and with sudden actuator failures. In what concerns the merits of the IBKS-SMC, this controller led to better tracking performance than the IBKS controller at the cost of noisier control effort and more difficult control parameter tuning. The combined theoretical and practical contributions of this dissertation show the great potential of the backstepping procedure allied with incremental control in terms of robustness and performance of complex systems under the presence of severe disturbances and actuator faults, demonstrated in realistic simulations of a Boeing 747.}
{pt=controlo não linear, incremental backstepping, estabilidade de Lyapunov, análise de estabilidade, controlo de voo., en=nonlinear control, incremental backstepping, Lyapunov stability, stability analysis, flight control.}

Junho 26, 2019, 9:0

Orientação

ORIENTADOR

Alexandra Bento Moutinho

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar