Metodologia e síntese de controladores híbridos clássico-neurais aplicados a sistemas mimo não lineares: estudo de caso em helicóptero 2-dof

dc.contributor.advisor1SILVEIRA, Antonio da Silva
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1828468407562753
dc.contributor.advisor1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-2698-2677
dc.contributor.memberOLIVEIRA, Roberto Célio Limão de
dc.contributor.memberBARRA JÚNIOR, Walter
dc.contributor.memberFONSECA NETO, João Viana da
dc.contributor.memberARAÚJO, Rejane Barros
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4497607460894318
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0492699174212608
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0029055473709795
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8760830024389437
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-6640-3182
dc.contributor.member1ORCIDxxx
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-4606-7510
dc.contributor.member1ORCIDxxx
dc.creatorSILVA, Matheus Morais da
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7095473415700280
dc.creator.ORCIDhttps://orcid.org/0009-0007-9482-5618
dc.date.accessioned2026-02-12T17:50:21Z
dc.date.available2026-02-12T17:50:21Z
dc.date.issued2025-09-11
dc.description.abstractThis dissertation presents the development and application of a hybrid control methodology based on the integration of decentralized classical RST-PI structures with artificial neural networks of the Multilayer Perceptron (MLP) type, applied to the position control of a didactic two-degrees-of-freedom (2-DOF) helicopter system. The studied plant exhibits characteristics of a nonlinear multivariable system with dynamic coupling between the yaw and pitch axes, subject to disturbances and parametric variations that hinder the derivation of accurate analytical models and the efficient tuning of local conventional controllers. To overcome these limitations, system identification was initially carried out using the Recursive Least Squares (RLS) algorithm in state space, allowing for the estimation of linearized models for different operating regions. A model selection strategy based on a cost function from the RLS method was proposed to choose the most suitable model. Based on the estimated linear model, classical controllers with RST-PI and RST-PID structures were designed using pole placement techniques. These controllers were tested in both simulations and real-time experiments, and their performance was evaluated using metrics such as mean integral of the squared error (ISE), mean integral of the squared control signal (ISU), variance of control and error signals, and robustness indicators based on sensitivity function analysis. Using experimental data collected from the real process, a neural network was trained offline to identify the plant’s operating region at each instant and dynamically adapt the controller gains, aiming to enhance transient response and reduce control effort. The experimental results demonstrated that the proposed hybrid approach effectively reduced oscillations, smoothed the control signal, and improved tracking performance under abrupt variations and coupling effects. The developed methodology proved to be both technically and practically viable, offering a promising direction for the application of artificial intelligence to enhance classical control strategies in nonlinear multivariable systems with uncertain and time-varying dynamics. Future work includes exploring neural-based adaptation in centralized or more sophisticated controllers.
dc.description.resumoEsta dissertação apresenta um estudo de caso no desenvolvimento e aplicação de uma metodologia de controle híbrido baseada na integração entre estruturas clássicas descentralizadas do tipo RST-PI por redes neurais artificiais do tipo Perceptron Multicamadas (MLP), aplicada ao controle de posição de um helicóptero didático com dois graus de liberdade (H2DOF). A planta estudada possui características de um sistema multivariável (MIMO) não linear com acoplamentos dinâmicos entre os eixos de guinada e arfagem, sujeito a perturbações e variações paramétricas que dificultam a obtenção de modelos analíticos precisos e a sintonia eficiente de controladores convencionais locais. Visando superar essas limitações, primeiramente é realizada a identificação do sistema por meio do algoritmo de Mínimos Quadrados Recursivos (MQR) em espaço de estados, possibilitando a obtenção de modelos lineares aproximados para diferentes regiões operacionais, onde é efetuada a seleção do melhor modelo estimado por uma proposta de algoritmo de busca pela função custo do método MQR. A partir desse modelo estimado linearizado e médio, são projetados os controladores clássicos nas estruturas RST-PI e RST-PID por meio da técnica de alocação de polos, com os quais são realizados testes em simulação e no protótipo físico, avaliando-se os resultados das respostas de trajetória por métricas de desempenho como a Integral do Erro Médio Quadrático (ISE), Integral do Sinal de Controle Quadrático (ISU) e as variâncias dos sinais de erro e controle, além dos índices de robustez gerados pela análise das curvas de sensibilidade. Com base nos dados coletados dos experimentos no processo real, a rede neural é treinada de maneira offline com o objetivo de identificar, a cada instante, a região de operação da planta e adaptar dinamicamente os ganhos dos controladores, promovendo uma predição de melhoria no desempenho transitório e com menor esforço de controle. Os resultados experimentais indicaram que a abordagem híbrida proposta é capaz de reduzir oscilações, suavizar o sinal de controle e melhorar a resposta em malhas sujeitas a variações abrupta se efeitos de acoplamento. A metodologia desenvolvida demonstra viabilidade prática e técnica, indicando uma direção de como a aplicação de inteligência artificial pode otimizar estratégias de controle clássico em sistemas multivariáveis não lineares com características incertas e variantes.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.citationSILVA, Matheus Morais da. Metodologia e síntese de controladores híbridos clássico-neurais aplicados a sistemas mimo não lineares: estudo de caso em helicóptero 2-DOF. Orientador: Antonio da Silva Silveira. 2025. 105 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18005 . Acesso em:.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18005
dc.languageporpt_BR
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto de Tecnologiapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
dc.source.uriDisponível via correio eletrônico: Bibliotecaitec@ufpa.br
dc.subjectControle híbrido
dc.subjectRedes Neurais artificiais. helicóptero 2-DOF
dc.subjectAlo cação de polos
dc.subjectIdentificação por MQR
dc.subjectControle RST-PI
dc.subjectSistemas multivariáveis não Lineares
dc.subjectHybrid control
dc.subjectArtificial neural networks
dc.subject2-DOF helicopter
dc.subjectPole place ment
dc.subjectRecursive least squares identification
dc.subjectRST-PI control
dc.subjectNonlinear multivariable systems
dc.subject.areadeconcentracaoSISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
dc.subject.linhadepesquisaCONTROLE E AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS
dc.titleMetodologia e síntese de controladores híbridos clássico-neurais aplicados a sistemas mimo não lineares: estudo de caso em helicóptero 2-dof
dc.typeDissertaçãopt_BR

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