Control predictivo basado en modelo aplicado a dirigible para interiores.

Abstract

En las ultimas décadas se han desarrollado diversos estudios en dirigibles, ya sea para vigilancia, transporte de carga, e incluso para mostrar obras de arte en museos. Por esto se genera el interés en explorar sistemas de control de movimiento optimizados, para generar respuestas mas rápidas y confiables. En comparación con las investigaciones hasta ahora desarrolladas, en este trabajo se espera tener todos los sensores de medición abordo del dirigible, con el fin de tener una mayor movilidad. Esta investigación se centra en el diseño de un dirigible de navegación autónoma controlado por un Control Predictivo Basado en Modelo (MPC) para controlar la altura y la orientación. El proceso comienza con la identificación del sistema mediante un modelo de caja gris, donde se determina el modelo dinámico para el desplazamiento vertical, horizontal y de rotación (guiñada). A las mediciones de los estados se les agrega un observador mediante un Filtro de Kalman para reducir el ruido, determinando principalmente la velocidad del dirigible para el control de altura y orientación. Posteriormente, se aplica un control MPC considerando restricciones en las entradas, con el objetivo de controlar el efecto de una posible saturación en los motores. Finalmente, se evalúa el desempeño del MPC comparándolo con un sistema de control PID, que es el método de control comúnmente aplicado a estos dispositivos. En el control de altura usando el MPC, se alcanzó un sobrepaso máximo del 11%, junto con un tiempo de levantamiento de 1.9 segundos y un tiempo de asentamiento de 10.8 segundos. En cuanto al control de orientación, los resultados mostraron un tiempo de levantamiento de 1.7 segundos, un tiempo de asentamiento de 2.8 segundos y un sobrepaso máximo del 0%. Al comparar el desempeño del MPC con el PID, la simulación con el PID mostró tiempos de asentamiento y levantamiento mejores a los del MPC. Es importante señalar que esta diferencia se debe a que la simulación del PID no tomó en cuenta las restricciones propias de los motores, resultando en una mayor fuerza aplicada en el control de altura y un mayor momento para el control de orientación.