En cada una de las fases de vuelo es posible configurar un controlador diferente para los canales de control del vehículo. Existen tres modos diferentes al configurar el estado de control de un canal:

  • Off: no existen ningún tipo de control en dicho canal.
  • On: se habilita la configuración de un controlador (PID,AP o Scheduler).
  • Fixed: el valor de dicho canal de control se mantiene a un valor fijo.

Configuración del PID

Cuando se crea el controlador para un canal, es posible definir hasta un máximo de 4 lazos conectados en cascada (la siguiente imagen muestra la configuración para 3 lazos en serie).

Diagrama PID

En cada unos de los bloques (lazos) se puede configurar el tipo de controlador y sus parámetros. El tipo se elige a través del menú desplegable mostrado en la siguiente imagen.

Configuracion del Lazo de Control

Existen seis tipos diferentes de estrategias de control que se pueden implementar en el autopiloto Veronte.

  • PID: clásico controlado PID. Su configuración es la que se muestra en la figura anterior. Los valores para cada uno de los parámetros que forman este sistema de control (proporcional, integral y derivativo) pueden ser alterados directamente a través de la interfaz.
  • AP: control adaptativo-predictivo.
  • Tsched: controlador con programación de las ganancias. Los parámetros del controlador varían acorde a una de las variables del sistema, como por ejemplo la velocidad indicada (IAS). Para cada valor que tenga esta variable, los parámetros del controlador tendrán un valor determinado por la interpolación creada a través de los elementos definidos en la tabla que aparece al seleccionar este tipo de controlador. En el ejemplo mostrado en la siguiente figure, los valores del PID cambian según varíe la velocidad.

Controlador Con Programación de ganancias en Tabla.

  • Esched: en este caso, a diferencia del controlador anterior, la única ganancia que varia acorde a una variable del sistema es la proporcional. Ahora no existe una tabla según la cual se interpolen los valores, sino que la Kp cambia acorde a una expresión matemática definida por el usuario. Las ecuaciones disponibles en el sistema son: inversa (KP1/V1=cte), proporcional (KP1 * V1=cte) y cuadrática (KP1 *V1^2=cte).  La imagen mostrada a continuación muestra la opción cuadrática, donde la ganancia proporcional cambia de acuerdo a la IAS, teniendo como punto nominal (KP1 and V1) 0.2 y 20 m/s respectivamente. Los valores Min. y Max. se usan para establecer un limite de actuación de este tipo de controlador. Para valores de la variable establecida (IAS en el ejemplo) mayores que Max. y menores que Min., la ganancia será la indicada en la opción Kp1.

Controlador con Programación Cuadrática de Ganancias

Además del tipo de controlador, hay mas parámetros que se pueden modificar en la ventana de cada lazo de control.

  • Enable Sys ID: activa la opción de identificación de sistemas. La planta se modifica constantemente prediciendo una nueva acorde a una serie de parámetros. Esta opción debe estar seleccionada cuando se emplee el controlador de tipo Adaptativo-Predictivo.
  • Respect: la casilla “respect” se emplea en la transición entre fases. Cuando esta activada, la salida del controlador se respeta (se mantiene) cuando se pasa de una fase a otra, es decir, si la salida del lazo de control de Pitch es un elevador de 15 grados, cuando se cambie de esa fase a otra la primera salida que generará el controlador sera un elevador de 15 grados, y a partir de este valor el controlador de la nueva fase comienza a trabajar. Si el “respect” no está activado, el sistema de control de la nueva fase generará un primer valor del elevador a partir de las entradas del lazo, y por tanto se producirá un escalón entre el ultimo valor generado por el controlador de la primera fase y el primer valor generado por el controlador de la nueva fase en la que se ha entrado. Normalmente, está opción se emplea en los controladores mas internos (velocidad angular) para evitar grandes escalones que pudieran producir respuestas muy agresivas del sistema. Por otro lado, si el “respect” se activa en los lazos mas externos (ángulo de actitud normalmente), el vehículo tratará de mantener su actitud y rumbo durante los cambios de fase. Este tipo de control puede producir también respuestas muy agresivas que son indeseables durante la operación.
  • Noise Level & Filtering constant: parámetros empleados en el controlador AP.
  • Initial A & B:  estos botones se usan para establecer las plantas inicial y final del proceso de identificación de sistemas.

Centrándonos ahora en la estructura del PID, la siguiente figura y tabla adjunta describen todos los elementos y que significa cada uno de ellos.

Arquitectura del PID

ValorDescripción
1Variable Medida
2· Invert: Cambiar el signo del error (variable deseada menos      variable medida).

· Wrap: en el caso de ángulos, limitar a -180/180º. Esta opción se emplea por ejemplo cuando se controla el Rumbo, para evitar que el avión de una vuela completa al intentar ir de 330 a 360 grados por ejemplo.

3Ganancia Proporcional.
4Constante de tiempo del filtro discreto.
5Parámetro de Tiempo Derivativo
6Ganancia Derivativa.
7Valor constante añadido en la salida(Feedforward Control)
8Ganancia Integral
9Parámetro Integral
10Valor máximo de integral admitido
11Parámetro de anti-windup
12Límites de la salida

Elementos del PID

Los valores de salida del controlador PID se refieren a los canales virtuales de control (cabeceo, alabeo, guiñada, empuje…), y por tanto son valores del vector “U” (recuerde la matriz SU detallada en la sección 6.1). El diagrama mostrado anteriormente esta expresado por la ecuación siguiente:

ec-c

  • Kp=ganancia proporcional
  • Ti=Tiempo Integral
  • Td=Tiempo Derivativo
  • N=Constante del filtro derivativo

Para los modelos integral y derivativo se han implementado los sistemas Trapezoidal y “Backward Euler” respectivamente:

ec-if-nd

ec-nd donde   es la constante de tiempo de un filtro paso bajo de primer orden. Cuando ND se establece en 0, se deshabilita el filtro.

El tiempo de muestreo ya ha sido implementado mediante:  ec-ki

Exportar PIDs entre Fases

Una vez se ha considerado que un PID ha sido ajustado correctamente, es posible exportarlo para usarlo en otras fases de vuelo. Para hacerlo, simplemente hay que hacer doble clic sobre el bloque que se quiere exportar y elegir la opción “Copy”. Aparecerá un menú donde se permite elegir a que fases se copia el controlador. De todos los parámetros que contiene un PID, es posible copiar por separado los límites (columna”LIMIT”) y las ganancias (columna “BLOCK”).

Exportar PIDs

 Ajustes Fijos

El modo “Fixed” permite establecer una entrada rampa para el canal de control seleccionado. Cuando esta opción se elige aparece el siguiente diagrama:

Ajustes para Salida Fija

Se deben introducir tres valores: el tiempo que se estará con el valor anterior (un offset), el tiempo de transición y el valor final de la variable. Considerando el ejemplo anterior mostrado en la imagen (correspondiente al empuje), al entrar en esa fase el motor se mantiene al nivel de empuje anterior durante 1 segundo, para progresivamente pasar a un valor del 80% en 5.5 segundos.