SOUSA, J. M. de. Controle preditivo não linear aplicado ao sistema de piloto automático de mísseis. Dissertação (Dissertação de Mestrado) — Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, 2024. Departamento de Engenharia Elétrica.
TÍTULO: Controle Preditivo Não-Linear Aplicado ao Sistema de Piloto Automático de Mísseis
RESUMO: Esta dissertação aborda o desenvolvimento e a aplicação do Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC), em sistemas de piloto automático de mísseis. A modelagem matemática detalhada de mísseis axissimétricos controlados por aletas é apresentada, incluindo simplificações práticas que mantêm a precisão necessária para o controle efetivo em todo o envelope de voo. Com base nessa modelagem, um controlador MPC Não Linear é desenvolvido e testado por meio de simulações. Seu desempenho é comparado com outro controlador, o qual utiliza um método de controle robusto avançado em que as não linearidades da planta são modeladas como incertezas e descritas por Restrições Quadráticas Integrais (IQC). Dessa forma, evidencia-se a viabilidade e a eficácia do MPC em aplicações complexas e não lineares como o controle de piloto automático de mísseis. Ressalta-se a simplicidade, a intuitividade e a precisão do MPC, especialmente quando aplicado a sistemas com modelagem matemática bem definida. O desempenho do controlador MPC mostra-se superior em comparação ao controlador IQC em simulações nominais, apresentando estabilidade robusta a variações paramétricas e capacidade de implementação em tempo real, dadas as rápidas soluções de otimização alcançadas. Contribuições significativas incluem a formulação de uma equação aproximada para a pressão dinâmica em fluidos compressíveis, para diferentes valores do número de Mach e de altitude, e a proposição de um controlador MPC com dois modelos internos, um para predição e outro para atualização de estados. Limitações identificadas abrem caminho para pesquisas futuras, sugerindo a inclusão de técnicas de controle robusto no MPC, a aplicação de dados aerodinâmicos de mísseis, que sejam mais realistas, e a consideração da dinâmica completa de 6 Graus de Liberdade (6-DOF). Este trabalho não apenas avança o conhecimento no campo do controle MPC Nominal, mas também estabelece uma base sólida para pesquisas futuras na área de sistemas de controle MPC Não Linear e Robusto.
Palavras-chave: mpc. não linear. míssil. 3dof. piloto automático. matlab. casadi.
TITLE: Controle Preditivo Não-Linear Aplicado ao Sistema de Piloto Automático de Mísseis
ABSTRACT: This dissertation addresses the development and application of Model-Based Predictive Control (MPC) in missile autopilot systems. Detailed mathematical modeling of axisymmetric missiles controlled by fins is presented, including practical simplifications that maintain the necessary accuracy for effective control across the flight envelope. Based on this modeling, a Nonlinear MPC controller is developed and tested through simulations. Its performance is compared with another controller, which utilizes an advanced robust control method where the plant's nonlinearities are modeled as uncertainties and described by Integral Quadratic Constraints (IQC). Thus, the viability and effectiveness of MPC in complex and nonlinear applications such as missile autopilot control are demonstrated. The simplicity, intuitiveness, and accuracy of MPC are emphasized, especially when applied to systems with well-defined mathematical modeling. The performance of the MPC controller proves to be superior in comparison to the IQC controller in nominal simulations, showing robust stability to parametric variations and the capability for real-time implementation, given the rapid optimization solutions achieved. Significant contributions include the formulation of an approximate equation for dynamic pressure in compressible fluids, for different Mach numbers and altitudes, and the proposition of an MPC controller with two internal models, one for prediction and another for state updating. Identified limitations pave the way for future research, suggesting the inclusion of robust control techniques in MPC, the application of more realistic missile aerodynamic data, and the consideration of full 6 Degrees of Freedom (6-DOF) dynamics. This work not only advances knowledge in the field of Nominal MPC control but also establishes a solid foundation for future research in the area of Nonlinear and Robust MPC control systems.
Keywords: mpc. nonlinear. missile. 3dof. autopilot. matlab. casadi.
| Software | Version |
|---|---|
| Microsoft Visual Studio | 2022 |
| MinGW-w64 Compiler | 6.3 |
| MATLAB | R2023a |
| MATLAB Support for MinGW-w64 Compiler | R2023a |
| CasADi | 3.6.3 |
| Mosek | 10.0 |
| Component | Specification |
|---|---|
| Processor | Core i5-1235U |
| L3 Cache | 12 MB |
| Base Frequency | 1.30 GHz |
| Maximum Frequency | 4.40 GHz |
| Cores | 10 |
| Threads | 12 |
| TDP Max | 15 W |
| Integrated Graphics | Intel Iris Xe Graphics |
| Total Memory | 16 GB |
| Memory Type | LPDDR4x |
| Memory Speed | 4267 MHz |
To execute the code, Matlab must be launched from the 'x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022'. See image below:
