Desenvolvimento de um laboratório virtual e remoto para controle de um helicóptero com três graus de liberdade
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
Texto Completo: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5303 |
Resumo: | Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um laboratório virtual e remoto (LVR) para o controle de um Helicóptero com 3 graus de liberdade (GDL). Este é um sistema mecânico para o estudo da dinâmica de uma aeronave de hélices paralelas. Os três movimentos da planta são denominados arfagem, elevação e deslocamento, sendo o objetivo controlar estes dois últimos. O modelo matemático do Helicóptero com 3 GDL foi determinado pelo método de prototipagem virtual. As variáveis de saída do modelo matemático são as posições e velocidades angulares dos movimentos, estimadas por Tracking Loops, que utilizam os sinais discretos obtidos por meio de sensores do tipo encoder. As variáveis de controle do modelo matemático são as forças de empuxo, a identificação de um polinômio permite relacionar estas forças às tensões aplicadas aos motores de corrente contínua equipados com hélices de passo fixo, que atuam sobre a planta. O LVR, de modo geral, atua como um ambiente de desenvolvimento integrado. Este permite projetar, construir e monitorar controladores, por meio de um sistema de aquisição e controle composto pelas tecnologias Octave, Block Diagram Coder (BDC, um pacote de software desenvolvido neste trabalho) e a placa de microcontrolador NUCLEO-F767ZI, responsável pela leitura dos sensores e acionamento dos atuadores da planta. Para validar todo o desenvolvimento do trabalho, foram executados experimentos de controle seguidor com realimentação de estado, com e sem o observador de Luenberger. Os controladores foram projetados por LQR (Linear Quadratic Regulator) e atribuição de autoestrutura completa. Estes experimentos foram executados no LVR e também por meio de um sistema de aquisição e controle tradicional, composto pelo MATLAB/Simulink e uma placa de aquisição da National Instruments PCI-6602. A comparação e análise dos resultados permitiu concluir que o LVR funciona adequadamente para o desenvolvimento de experimentos de controle. Além disso, a reposta dos controladores para o Helicóptero com 3 GDL apresentou bons resultados, validando os processos de modelagem matemática, estimação das variáveis de saída e identificação dos atuadores. |
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2020-10-27T00:48:18Z2020-10-27T00:48:18Z2020-04-03KANEKO, Eduardo Hideki. desenvolvimento de um laboratório virtual e remoto para controle de um helicóptero com três graus de liberdade . 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2020.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5303Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um laboratório virtual e remoto (LVR) para o controle de um Helicóptero com 3 graus de liberdade (GDL). Este é um sistema mecânico para o estudo da dinâmica de uma aeronave de hélices paralelas. Os três movimentos da planta são denominados arfagem, elevação e deslocamento, sendo o objetivo controlar estes dois últimos. O modelo matemático do Helicóptero com 3 GDL foi determinado pelo método de prototipagem virtual. As variáveis de saída do modelo matemático são as posições e velocidades angulares dos movimentos, estimadas por Tracking Loops, que utilizam os sinais discretos obtidos por meio de sensores do tipo encoder. As variáveis de controle do modelo matemático são as forças de empuxo, a identificação de um polinômio permite relacionar estas forças às tensões aplicadas aos motores de corrente contínua equipados com hélices de passo fixo, que atuam sobre a planta. O LVR, de modo geral, atua como um ambiente de desenvolvimento integrado. Este permite projetar, construir e monitorar controladores, por meio de um sistema de aquisição e controle composto pelas tecnologias Octave, Block Diagram Coder (BDC, um pacote de software desenvolvido neste trabalho) e a placa de microcontrolador NUCLEO-F767ZI, responsável pela leitura dos sensores e acionamento dos atuadores da planta. Para validar todo o desenvolvimento do trabalho, foram executados experimentos de controle seguidor com realimentação de estado, com e sem o observador de Luenberger. Os controladores foram projetados por LQR (Linear Quadratic Regulator) e atribuição de autoestrutura completa. Estes experimentos foram executados no LVR e também por meio de um sistema de aquisição e controle tradicional, composto pelo MATLAB/Simulink e uma placa de aquisição da National Instruments PCI-6602. A comparação e análise dos resultados permitiu concluir que o LVR funciona adequadamente para o desenvolvimento de experimentos de controle. Além disso, a reposta dos controladores para o Helicóptero com 3 GDL apresentou bons resultados, validando os processos de modelagem matemática, estimação das variáveis de saída e identificação dos atuadores.This thesis presents the development of a virtual and remote laboratory (VRL) for the control of a 3 degrees of freedom (DOF) Helicopter. This is a mechanical system to study the dynamics of an aircraft with parallel propellers. The three movements of the plant are called pitch, elevation and travel, and the objective is to control the latter two. The mathematical model of the 3 DOF helicopter was determined by the virtual prototyping method. The output variables of the mathematical model are the angular positions and velocities of the movements, estimated by Tracking Loops, which use the discrete signals obtained by encoder sensors. The control variables of the mathematical model are the thrust forces, the identification of a polynomial allows to relate these forces to the voltages applied to the direct current motors equipped with fixed pitch propellers, that actuates on the plant. The VRL, in general, acts as an integrated development environment. It allows the design, construction, and monitoring of controllers, through an acquisition and control system composed of the technologies Octave, Block Diagram Coder (BDC, a software package developed in this work) and the NUCLEO-F767ZI microcontroller board, responsible for reading the sensors and driving the plant actuators. In order to validate all the work development, control experiments of tracking systems with state feedback were performed, with and without the Luenberger observer. The controllers were designed by LQR (Linear Quadratic Regulator) and entire eigenstructure assignment. These experiments were performed at the VRL and also through a traditional acquisition and control system, composed of MATLAB/Simulink and a National Instruments PCI-6602 acquisition board. The comparison and analysis of the results concluded that the VRL works properly for the development of control experiments. Moreover, the response of the controllers for the 3 DOF helicopter showed good results, validating the processes of mathematical modeling, output variables estimation and actuators identification.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCornelio ProcopioPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUTFPRBrasilCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRAEngenharia MecânicaModelagemSistemas lineares de controleLaboratóriosModelyngLinear control systemsLaboratoriesDesenvolvimento de um laboratório virtual e remoto para controle de um helicóptero com três graus de liberdadeDevelopment of a virtual and remote laboratory for the control of a three degrees of freedom helicopterinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCornélio ProcópioBorges, Adailton Silvahttp://lattes.cnpq.br/1976568434573411Montezuma, Marcio Aurelio Furtadohttp://lattes.cnpq.br/2487283169795744Borges, Adailton Silvahttp://lattes.cnpq.br/1976568434573411Geromel, Luiz Henriquehttp://lattes.cnpq.br/3945660888230811Domiciano, Sandra Marahttp://lattes.cnpq.br/1956036765090618http://lattes.cnpq.br/5044932447006330Kaneko, Eduardo Hidekiinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPRORIGINALCP_PPGEM_M_Kaneko,_Eduardo_Hideki_2020.pdfapplication/pdf25841447http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/5303/1/CP_PPGEM_M_Kaneko%2c_Eduardo_Hideki_2020.pdf3dd3bdb0fecce3843037aa3d8b37b9a3MD51TEXTCP_PPGEM_M_Kaneko,_Eduardo_Hideki_2020.pdf.txtCP_PPGEM_M_Kaneko,_Eduardo_Hideki_2020.pdf.txtExtracted texttext/plain296392http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/5303/2/CP_PPGEM_M_Kaneko%2c_Eduardo_Hideki_2020.pdf.txt2159eec279f89a805d5fc5e764eee670MD52THUMBNAILCP_PPGEM_M_Kaneko,_Eduardo_Hideki_2020.pdf.jpgCP_PPGEM_M_Kaneko,_Eduardo_Hideki_2020.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1352http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/5303/3/CP_PPGEM_M_Kaneko%2c_Eduardo_Hideki_2020.pdf.jpg88461cb5e3cf16c7c1f546fb35ce4595MD531/53032020-10-27 03:01:06.178oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/5303Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestopendoar:2020-10-27T06:01:06Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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