Controle preditivo baseado em modelo aplicado em satélites rígido-flexíveis

Abstract

Satélites artificiais têm se tornado muito importantes nas últimas décadas devido à sua vasta aplicabilidade nas diversas áreas do conhecimento, tais como, por exemplo, meteorologia, telecomunicações e astronomia. Um processo importante ao se colocar um satélite em órbita, para que ele cumpra a missão à qual é destinado, é o seu controle de atitude, que é o controle da posição angular do satélite em relação a um referencial fixo. Diversas técnicas de controle de atitude têm sido pesquisadas para as diferentes aplicações e particularidades de cada tipo de satélite. Uma característica que torna o controle de atitude de um satélite ainda mais desafiador é a presença de apêndices flexíveis no corpo do satélite. Na literatura, satélites que possuem esse tipo de apêndice são geralmente denominados rígido-flexíveis. Os apêndices flexíveis são bastante comuns em satélites, podendo consistir de painéis solares, velas, ou mesmo antenas, e podem dificultar, ou até mesmo impossibilitar, as manobras do satélite, pois, durante o movimento do mesmo, oscilações indesejadas podem ser excitadas nas estruturas flexíveis. Este trabalho tem o objetivo de projetar e validar controladores para um modelo de satélite rígido-flexível. O modelo do satélite é desenvolvido utilizando a abordagem de Lagrange, resultando em um sistema não-linear, que posteriormente é linearizado para o projeto de duas técnicas de controle baseadas em modelo linear: o Linear Quadratic Regulator (LQR) e o Model-based Predictive Control (MPC). Os controladores foram validados utilizando uma plataforma Hardware in the loop (HIL), uma arquitetura onde o controlador é implementado em Hardware, e o modelo do satélite, em ambiente de Software. O ambiente Simulink Real Time foi utilizado para implementar o modelo, e os controladores foram implementados em placa micro-processada Beaglebone. A plataforma HIL foi validada, pois conseguiu-se controlar a planta com os dois controladores propostos, para diversos cenários. Os resultados obtidos mostraram que o controlador MPC obtém melhor desempenho que o LQR em relação às oscilações da haste flexível, já que essa técnica lida diretamente com restrições nas variáveis do problema, apresentando também menor sobressinal para um horizonte de predição 60, com tempo de assentamento relativamente baixo. Os resultados de simulação também demonstraram que os modelos linear e não-linear do satélite possuem comportamentos bastante semelhantes, indicando que os termos não-lineares deste modelo têm pouca influência na dinâmica do sistema.