Projeto e implementação de controle LQR para ensino de sistemas dinâmicos: aplicação ao helicóptero 3-DOF da quanser

Abstract

O presente Trabalho de Graduação apresenta o projeto, a simulação e a implementação prática de um controlador moderno, o Regulador Linear Quadrático (LQR), aplicado ao sistema Helicóptero 3-DOF da Quanser, disponível no Laboratório de Pesquisa em Controle (LPC) da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (UNESP). A proposta fundamenta-se na modelagem matemática em espaço de estados e na solução da Equação Algébrica de Riccati, com o objetivo didático de capacitar estudantes no projeto e operação segura de sistemas dinâmicos multivariáveis. A metodologia adotada explora a sintonia das matrizes de ponderação (Q e R) para garantir que a norma do ganho de realimentação respeite a faixa de segurança operacional 60≤‖K‖≤200, do sistema. Os resultados obtidos, tanto em simulações via Matlab/ Simulink® quanto na bancada experimental, validaram a eficiência do controlador na estabilização dos ângulos de elevação, arfagem e viagem, demonstrando o compromisso entre desempenho dinâmico e facilidade no projeto.

This Undergraduate Thesis presents the design, simulation, and practical implementation of a modern controller, the Linear Quadratic Regulator (LQR), applied to the Quanser 3-DOF Helicopter system, available at the Control Research Laboratory (LPC) of the Faculty of Engineering of Ilha Solteira (UNESP). The proposal is based on state-space mathematical modeling and the solution of the Algebraic Riccati Equation, with the didactic objective of training students in the design and safe operation of multivariable dynamic systems. The adopted methodology explores the tuning of the weighting matrices (Q and R) to ensure that the feedback gain norm respects the system's operational safety range 60≤‖K‖≤200. The results obtained, both in simulations via Matlab/Simulink® and on the experimental testbed, validated the efficiency of the controller in stabilizing the elevation, pitch, and travel angles, demonstrating the trade-off between dynamic performance and ease of design.