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Título: DF-MRAC baseado em redes neurais para controle de veiculos lançadores: um estudo comparativo dos modelos RBF, WNN e ELM
Título(s) alternativo(s): Neural network-based DF-MRAC for launch vehicles control: a comparative study of RBF, WNN and ELM models
Autor(es): Cardoso, Mayron Pantoja
Orientador(es): Arruda, Lucia Valeria Ramos de
Palavras-chave: Sistemas de controle ajustável
Redes neurais (Computação)
Veículos de lançamento (Astronáutica)
Liapunov, Funções de
Teoria do controle
Controle automático
Adaptive control systems
Neural networks (Computer science)
Launch vehicles (Astronautics)
Lyapunov functions
Control theory
Automatic control
Data do documento: 15-Mai-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: CARDOSO, Mayron Pantoja. DF-MRAC baseado em redes neurais para controle de veículos lançadores: um estudo comparativo dos modelos RBF, WNN e ELM. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: O controle de atitude do eixo de arfagem de veículos lançadores sem aletas com Controle de Vetor de Empuxo apresenta variação contínua de massa, momento de inércia e coeficientes aerodinâmicos ao longo da trajetória atmosférica, condições que comprometem o desempenho de controladores lineares de ganhos fixos. O Controle Adaptativo por Modelo de Referência Livre de Derivadas emprega uma lei de atualização algébrica com atraso temporal que permite tratar incertezas com pesos variantes no tempo e garante a limitação uniforme dos erros de rastreamento e paramétrico em regime permanente por meio de um funcional de LyapunovKrasovskii, sem integrar derivadas da função de Lyapunov. Para compensar as incertezas dinâmicas casadas presentes na planta, a arquitetura de controle desenvolvida neste trabalho aplica redes neurais por serem aproximadores universais de funções, na estimação e compensação de incertezas. A escolha da rede neural influencia tanto a acurácia da estimação quanto a estabilidade do sistema em malha fechada sob variações paramétricas. Assim, esta dissertação avalia e compara sete arquiteturas de funções de ativação de redes neurais de camada oculta única integradas ao referido controlador adaptativo para o problema de controle de atitude do eixo de arfagem de um veículo lançador sem aletas com Controle de Vetor de Empuxo. As arquiteturas investigadas são: redes de função de base radial com ativação gaussiana e inversa multiquadrática, redes neurais wavelet com função Morlet e chapéu mexicano, e máquinas de aprendizado extremo com funções sigmoide, tangente hiperbólica e exponencial. O controlador nominal é projetado via Regulador Linear Quadrático com realimentação de estados. A avalia- ção de desempenho dos estimadores é realizada por simulação computacional sob três perfis de incerteza casada: pesos constantes, modulação em onda quadrada e modulação senoidal. As métricas de comparação adotadas são o erro quadrático médio, o erro absoluto médio e o coeficiente de determinação, obtidos por busca exaustiva de hiperparâmetros sobre o número de neurônios e a taxa de adaptação. A robustez das configurações ótimas é avaliada por simulação de Monte Carlo com dispersão de parâmetros físicos da planta entre cinco e vinte e cinco por cento. Os resultados indicam que as máquinas de aprendizado extremo, nas variantes tangente hiperbólica e exponencial, produzem os menores valores de erro quadrático médio nas condições nominais de operação. Contudo, para dispersões paramétricas iguais ou superiores a dez por cento, essas arquiteturas apresentam divergência do sistema em malha fechada em pelo menos uma rodada de Monte Carlo, com divergência numérica registrada em variações de quinze por cento. As redes de base radial mantêm a estabilidade até quinze por cento de dispersão para o perfil de incerteza estática, mas perdem a delimitação do erro máximo em variações superiores a vinte por cento. A rede wavelet Morlet é a única arquitetura que mantém baixa sensibilidade paramétrica do erro de rastreamento em todos os perfis de incerteza ao longo de toda a faixa de dispersão paramétrica avaliada, com desvio padrão do erro quadrático médio inferior a um centésimo de milésimo de radiano para o distúrbio senoidal com vinte e cinco por cento de variação, sem ocorrência de divergência numérica. Esses resultados, obtidos sob condições de modelo linearizado em ponto único e canal de arfagem isolado, caracterizam um compromisso estrutural entre acurácia de aproximação em regime nominal e estabilidade global sob alta incerteza paramétrica, estabelecendo a rede wavelet Morlet como a arquitetura recomendada para a aplicação ao controle de atitude de foguetes sem aletas sob as condições operacionais investigadas.
Abstract: The pitch-axis attitude control of finless launch vehicles with Thrust Vector Control features continuous variation of mass, moment of inertia, and aerodynamic coefficients along the atmospheric trajectory — conditions that compromise the performance of fixed-gain linear controllers. The Derivative-Free Model Reference Adaptive Control employs an algebraic update law with time delay that handles time-varying weight uncertainties and guarantees uniform boundedness of both tracking and parametric errors at steady state through a Lyapunov–Krasovskii functional, without integrating derivatives of the Lyapunov function. To compensate for the matched dynamic uncertainties present in the plant, this control architecture requires neural networks due to their property as universal function approximators, which is essential for uncertainty estimation and compensation. The choice of neural network influences both the estimation accuracy and the closed-loop stability of the system under parametric variations. This dissertation evaluates and compares seven activation function architectures of single-hidden-layer neural networks integrated into the aforementioned adaptive controller for the pitch-axis attitude control problem of a finless launch vehicle with Thrust Vector Control. The investigated architectures are: radial basis function networks with Gaussian and inverse multiquadratic activation, wavelet neural networks with Morlet and Mexican hat functions, and extreme learning machines with sigmoid, hyperbolic tangent, and exponential functions. The nominal controller is designed via Linear Quadratic Regulator with state feedback. The performance evaluation of the estimators is carried out through computational simulation under three matched uncertainty profiles: constant weights, squarewave modulation, and sinusoidal modulation. The comparison metrics adopted are the mean squared error, the mean absolute error, and the coefficient of determination, obtained by exhaustive hyperparameter search over the number of neurons and the adaptation rate. The robustness of the optimal configurations is assessed by Monte Carlo simulation with dispersion of physical plant parameters between five and twenty-five percent. The results indicate that extreme learning machines, in the hyperbolic tangent and exponential variants, produce the lowest mean squared error values under nominal operating conditions. However, for parametric dispersions equal to or greater than ten percent, these architectures exhibit closed-loop system divergence in at least one Monte Carlo run, with numerical divergence recorded at fifteen percent variation. Radial basis function networks maintain stability up to fifteen percent dispersion for the static uncertainty profile, but lose maximum error boundedness at variations exceeding twenty percent. The Morlet wavelet network is the only architecture that maintains low parametric sensitivity of the tracking error across all uncertainty profiles throughout the entire evaluated parametric dispersion range, with a standard deviation of mean squared error below one hundredth of one thousandth of a radian for the sinusoidal disturbance at twenty-five percent variation, with no occurrence of numerical divergence. These results, obtained under linearized single-point model conditions and an isolated pitch channel, characterize a structural trade-off between approximation accuracy under nominal conditions and global stability under high parametric uncertainty, establishing the Morlet wavelet network as the recommended architecture for application to the attitude control of finless rockets under the investigated operational conditions.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40592
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