Design and Implementation of angle-of-attack control system using active disturbance rejection control algorithms for fixed-wing unmanned aerial vehicles.

Abstract

[ES] El Trabajo de Final de Máster que se presenta a continuación cumple el objetivo de presentar, diseñar y validar un nuevo algoritmo de control, basado en la combinación de un controlador predictivo (MPC) con un controlador que rechaza perturbaciones (ADRC). Este nuevo diseño busca solucionar una problemática específica: reducir al máximo el modelado necesario para el diseño de controladores. Las leyes de control tradicionales se basan en tener un modelo preciso, bien para diseñarlos o predecir el comportamiento de la planta. Esta nueva ley de control busca reducir el trabajo de modelado del proceso a controlar. Con este objetivo en mente, se validará el nuevo controlador para governar el ángulo de ataque de una aeronave no tripulada. Para ello, se modelará toda la dinámica de la aeronave, se aplicarán los parámetros específicos de geometría, modelo propulsivo, aerodinámico... Mediante métodos semiempíricos y datos experimentales, se ha conseguido toda esta información, haciendo posible conseguir un modelo no-lineal de la aeronave. A partir de ahí, se puede construir el proceso del ángulo de ataque. Con el modelo lineal, se ha construido la nueva ley de control, junto a otros dos algoritmos a modo de comparación. Una vez diseñados y tuneados los controladores, se han validado frente al modelo no-lineal completo, primero en condiciones de vuelo en crucero, y después frente a perturbaciones de diversa tipología (estructural, propulsiva, de entradas...). Con estas pruebas, se ha podido comprobar la validez de la nueva ley de control, capaz de rechazar perturbaciones externas al no depender del modelo del proceso directamente.

[EN] The Master's thesis presented below aims to present, design and validate a new control algorithm based on the combination of a predictive controller (MPC) with a disturbance rejection controller (ADRC). This new design seeks to solve a specific problem: to reduce as much as possible the modelling required for the design of controllers. Traditional control laws are based on having an accurate model, either to design them or to predict the behaviour of the plant. This new control law seeks to reduce the work of modelling the process to be controlled. With this objective in mind, the new controller will be validated to govern the angle of attack of an unmanned aircraft. To do this, all the aircraft dynamics will be modelled, the specific parameters of geometry, propulsive model, aerodynamics... will be applied. By means of semi-empirical methods and experimental data, all this information has been obtained, making it possible to obtain a non-linear model of the aircraft. From there, the angle of attack process can be constructed. With the linear model, the new control law has been constructed, together with two other algorithms for comparison. Once the controllers have been designed and tuned, they have been validated against the complete non-linear model, first in cruise flight conditions, and then against disturbances of various types (structural, propulsive, input, etc.). These tests have made it possible to verify the validity of the new control law, which is capable of rejecting external disturbances as it does not depend directly on the process model.