Formulação teórica e numérica de problemas de controle ótimo segundo diferentes abordagens matemáticas da dinâmica de aeronaves

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Alexandre Salles da Cunha
Guilherme Vianna Raffo
Ricardo Poley Martins Ferreira
Atair Rios Neto
Paulo Henriques Iscold Andrade de Oliveira

Resumo

A teoria de controle ótimo é uma área de estudos que vem sofrendo importantes desenvolvimentos nas últimas décadas. Ainda hoje, este é um campo de estudo muito valioso no setor aeronáutico, onde tem-se buscado melhorias no planejamento de trajetórias ótimas. Dentro desta esfera, destacam-se dois importantes ramos. Um deles lida com o desenvolvimento de técnicas numéricas para a solução de problemas de otimização de trajetórias de uma maneira mais geral. Em um segundo ramo, tem-se como foco questões relacionadas à modelagem do movimento da aeronave e da aplicação destes modelos na formulação do problema matemático. Em ambos estes campos de estudo, notam-se discussões em aberto sujeitas a novos desenvolvimentos. No que diz respeito aos métodos numéricos, as técnicas de colocação direta têm sido aquelas que têm ganhado amplo destaque nas pesquisas. Porém, verifica-se a importância de uma visão mais aprofundada de seus fundamentos de tal forma que elas possam ser devidamente interpretadas e compreendidas. Quanto à modelagem da aeronave, observa-se a necessidade de uma discussão mais aprofundada a respeito dos efeitos relacionados à escolha e aplicação das diferentes técnicas de parametrização de sua atitude. Tais questões têm forte relação com a solução ótima e fazem parte de uma discussão ligada à formulação teórica do problema, a qual é anterior até mesmo à própria escolha da maneira de como solucioná-lo, i.e., à formulação numérica. Sendo assim, propõem-se neste trabalho uma forma alternativa de formulação dos problemas de otimização de trajetórias de aeronaves, tanto sob o aspecto numérico quanto teórico. Mostra-se que o método de elementos finitos pode ser aplicado na formulação numérica de problemas de controle ótimo, apresentando uma arquitetura global na abordagem direta por parametrização completa, sob a qual, o método de colocação é visto como um caso particular. Introduz-se também uma discussão sobre como as diferentes maneiras de representação da atitude da aeronave afetam a formulação do problema. Cada forma de parametrização da atitude possui características específicas, inerentes à sua estrutura matemática, que, caso mal interpretadas e utilizadas, podem tornar o problema mal formulado, restringindo a sua solução a um determinado conjunto de trajetórias. Sugerem-se maneiras alternativas para a o tratamento das restrições de contorno e demonstram-se como estas questões afetam a solução ótima do problema. As contribuições propostas são apresentadas na solução de um problema prático real no contexto de uma corrida aérea onde as trajetórias ótimas obtidas apresentaram boa correlação com dados experimentais obtidos em voo. Verifica-se, por fim, que as discussões e propostas realizadas ao longo deste trabalho são de suma importância para uma abordagem mais coerente dos problemas de otimização da trajetória de aeronaves. Logo sugere-se que estas sejam tidas em consideração durante a abordagem desta classe de problemas.

Abstract

Optimal control theory is an area of study that has undergone important developments in recent decades. Even today, this is a valuable field of study in the aeronautical sector, where improvements have been sought in the planning of optimal trajectories. Within this sphere, two important branches stand out. One of them deals with the development of numerical techniques for solving trajectory optimization problems in a more general way. In a second branch, it focuses on issues related to modeling the movement of the aircraft and the application of these models in the formulation of the mathematical problem. In both of these fields of study, open discussions are noted, subject to new developments. Concerning numerical methods, direct collocation techniques have been those that have gained wide prominence in research. However, there is the importance of a more in-depth view of its foundations in such a way that they can be properly interpreted and understood. For aircraft motion modeling, there is a need for a more in-depth discussion about the effects related to the choice and application of the different techniques for parameterizing its attitude. Such questions have a strong relationship with the optimal solution and are part of a discussion related to the theoretical formulation of the problem, which predates even the choice of how to solve it, i.e., the numerical formulation. Therefore, this work proposes an alternative form of formulating the problems of trajectory optimization of aircraft, both from a numerical and theoretical point of view. It is shown that the finite element method can be applied in the numerical formulation of optimal control problems, presenting a global architecture in the direct approach by complete parameterization, under which, the collocation method is seen as a particular case. A discussion is also introduced on how the different ways of representing the attitude of the aircraft affect the formulation of the problem. Each form of parameterization of the attitude has specific characteristics, inherent to its mathematical structure, which, if misinterpreted and used, can make the problem poorly formulated, restricting its solution to a certain set of trajectories. Alternative ways are suggested for the treatment of boundary constraints and demonstrate how these issues affect the optimal solution of the problem. The proposed contributions are presented in the solution of a real practical problem in the context of an air race where the optimal trajectories obtained presented a good correlation with experimental data obtained in flight. Finally, it appears that the discussions and proposals carried out throughout this work are of paramount importance for a more coherent approach to the problems of optimizing the trajectory of aircraft. It is therefore suggested that these be taken into account when addressing this class of problems.

Assunto

Engenharia mecânica, Controle ótimo, Aeronaves, Trajetórias espaciais, Método dos elementos finitos

Palavras-chave

Controle ótimo, Otimização de trajetória de aeronaves, Rotações espaciais, Método de elementos finitos, Método de colocação direta

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