Contribuciones a la síntesis de controladores robustos. Aplicaciones a los sistemas de estabilización y control de aeronaves

Resumen

En este trabajo se plantea como objetivo fundamental establecer una metodología de diseño de controladores H que suponga un procedimiento automatizado para el diseñador, y que esté orientado al control de aeronaves. Dentro del control H se van a considerar los métodos de diseño basados en las técnicas H2, Hinf, LQG y LQG/LTR; dado que los métodos LQG y LQG/LTR se pueden interpretar como casos particulares de control H2. El objetivo no consiste en resolver un problema de diseño tipo benchmark, como el utilizado en el proyecto de GARTEUR [GART97], sino que el trabajo se ha orientado hacia la automatización del proceso de diseño de controladores H para aeronaves. La aportación principal realizada en este trabajo consiste en el desarrollo de métodos sistemáticos y automatizados para la síntesis de controladores H para aeronaves, a partir de un modelo (SISO o MIMO) del sistema a controlar. En primer lugar, se propone un método de ajuste de controlador LQG/LTRo basado en algoritmos genéticos, que consigue ajustar los parámetros de diseño para cumplir unas especificaciones expresadas en el dominio del tiempo, aplicándolo al avión F-16. Se continúa con la propuesta de un procedimiento para detección incipiente de fallos en actuadores (timón y alerones) y sensores (ángulos de alabeo y deslizamiento) de la aeronave F-16; que emplea un método de optimización multiobjetivo basado en algoritmos genéticos. Como siguiente aportación, se trata el problema del control Hinf; para el que se proponen unas funciones de ponderación de pre-sintonía, y un procedimiento para el ajuste fino del controlador que tan sólo depende de dos parámetros de ajuste. Como alternativa para mejora de ciertos indicadores de comportamiento y robustez, se propone un método de control con dos grados de libertad (2-DOF), que utiliza un controlador LQG/LTRi para el lazo interno (cuyo objetivo principal es mejorar la atenuación de perturbaciones actuantes a la entrada de la planta), y un controlador Hinf para el lazo externo (cuya finalidad es mejorar el seguimiento de cambios de setpoint). Este controlador se ha denominado controlador robusto H reforzado (CRHR). Como alternativa a este método, se propone un controlador con 2-DOF en el que ambos lazos tienen controladores Hinf. Para grandes cambios en el setpoint, se propone un controlador de estructura variable, que utiliza un controlador de 1-DOF en la fase de aproximación al SP, y un controlador de 2-DOF en la fase de precisión. Para tener en cuenta los cambios on-line que se producen en los controladores, se desarrolla un método sistemático y automatizado para BLT (Bump-Less Transfer). Este controlador se requiere al realizar un cambio en un controlador, ya sea por ajuste de los parámetros o por conmutación entre controladores. Cada controlador H diseñado (Feed-Back H Controller, FB-HC), lleva asociado un controlador H para BLT. A fin de realizar el diseño y análisis de los métodos propuestos, se utiliza el modelo matemático de un avión F-16. Se utilizan unos indicadores de comportamiento y robustez numéricos (Performance and Robustness Indicators, P&RI), así como pruebas de simulación que sirven para evaluar la robustez de los controladores frente a dinámica no modelada de alta frecuencia, incertidumbres de tipo paramétrico, comportamiento para condiciones de operación diferentes a las nominales, así como con respecto a la dinámica no lineal de la aeronave. Para pruebas de simulación en tiempo real estricto con características HILS ("Hardware In the Loop Simulation") se emplea un entorno para pruebas y evaluación de sistemas de control (EPESC) desarrollado por el grupo GAPSIS de la universidad de Cádiz.