Projeto e implementação do controle de posição de

uma antena de radar meteorológico através de

servomecanismos

Apresentação para Defesa de Dissertação de Mestrado

Eng. Fabiano Armellini

Orientador: Prof. Dr. Agenor de Toledo Fleury

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

OBJETIVOS DO TRABALHO

1. Levantar e estudar os fatores relevantes para

especificação de um projeto de controle de posição de

uma antena-radar através de servomecanismos;

2. Apresentar uma proposta de projeto de controle de

posição através de servomecanismos;

3. Propor um modelo estrutural teórico consistente do

conjunto antena-radar para fins de simulação dinâmica

e análise modal da estrutura;

4. Apresentar a implantação do sistema de controle

proposto num projeto real de Engenharia, para o

servomecanismo de uma antena de radar

meteorológico.

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

RADAR

Radares são sensores eletrônicos que empregam ondas

eletromagnéticas para detectar e localizar objetos materiais

no espaço

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

SISTEMA DE COORDENADAS

Azimute

Elevação

Distância

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

MÓDULOS PRINCIPAIS DE UM SISTEMA RADAR

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

APLICAÇÕES CLÁSSICAS DE RADAR

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ESTRATÉGIAS PARA PROBLEMA DE CONTROLE

• Servomecanismo

• Phase array

• Hexapod (Stewart)

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CONTROLE POR SERVOMECANISMOS

Acionamento manual

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CONTROLE POR SERVOMECANISMOS

Controle automático

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CONSIDERAÇÕES PARA ESPECIFICAÇÃO DO

PROJETO

1. Características em relação ao alvo (tamanho, alcance, plano de vôo etc)

2. Peso total do conjunto

3. Tamanho e peso dos componentes

4. Resolução angular do sensor de posição

5. Tolerâncias mecânicas

6. Aceleração e Velocidade máximas

7. Precisão de Apontamento (estática e dinâmica)

8. Características dinâmicas (flexibilidade, harmônicos) do mecanismo

9. Consumo

10. Ambiente de operação (temperatura, vento, umidade, salinidade)

11. Distância entre o pedestal e a eletrônica de controle

12. Curso angular requerido (volume de alcance)

13. Condições de contorno de envelope

14. Requisitos de operação e interface

15. Características RF do radar

16. Potência de transmissão

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CONSIDERAÇÕES TECNOLÓGICAS

1. Escolha do servomotor

2. Escolha do sensor de posição angular

3. Definição do controlador

SEGURANÇA

1. Repouso da antena

2. Proteção de fim-de-curso da antena

3. Radome

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

PROPOSTA DE CONTROLE

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CONTEXTO DE SOFTWARE

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

MODOS DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA

• Teste

• Posição

• Velocidade

• Ecartometria (ou modo erro)

• Designação

• Varredura

Modos de

operaçãoDesignação

Varredura

Normal

AZ

EL

Setorial

Normal

Setorial

posEL

posAZ

posEL

velAZ

posEL

velAZ

lim+

lim-

posAZ

velEL

posAZ

velEL

lim+

lim-

Velocidade

velEL

velAZ

Erro

EL

AZ

Teste

Posição

NumTeste

posAZ

posEL

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ARQUITETURA DE SOFTWARE

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

MODELAGEM DO OBJETO DE CONTROLE

ccm

cc bN

kJ

c

mmmm

NN

kJ

RLs

1

sVsV

sIsG

bm

el

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

MODELAGEM DO OBJETO DE CONTROLE

c

2m

2m

22cm

2c

2

m

m1

JNJksNbJsNJJs

kbssJN

s

ssG

kbssJsN

k

s

ssG

2cm

c2

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

RESPOSTA DO SISTEMA (elevação)

ROOT LOCUS BODE PLOT

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

EFEITO DA VARIAÇÃO DO GANHO DA MALHA

INTERNA SOBRE OS PÓLOS DE MALHA ABERTA DA

MALHA EXTERNA

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

EFEITO DA VARIAÇÃO DO GANHO DA MALHA

INTERNA SOBRE OS PÓLOS DE MALHA ABERTA DA

MALHA EXTERNA

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

EFEITO DA VARIAÇÃO DO GANHO DA MALHA

INTERNA SOBRE OS PÓLOS DE MALHA ABERTA DA

MALHA EXTERNA

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

BANDA PASSANTE

• Depende das especificações de performance dinâmica

exigidas para o radar:

Velocidade angular máxima

Aceleração angular máxima

Erro máximo de apontamento

Estático

Dinâmico

• Para um radar meteorológico: performance dinâmica

não é muito importante. O importante é o mecanismo

oferecer em tempo real a leitura do encoder, para que o

processador interpole corretamente

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

BANDA PASSANTE (cont.)

• Para um radar de trajetografia: verificar a necessidade de

banda para cada uma das condições críticas (velocidade e

acerelação máximas)

• Exemplo:

max = 10o/s com max = 0,3o fmax < 0,91Hz

max = 10o/s2 com max = 0,3o fmax < 5,33Hz

Banda passante mínima da malha fechada

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE MODAL

• Evitar que haja harmônicos da estrutura dentro da banda

passante do sistema

• Para isso, foi elaborado modelo FEM para simulação

• Validação do modelo por análise modal experimental

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISES REALIZADAS

• Análise Estática

Peso próprio

Rigidez do mecanismo a torção

Momento de inércia em relação aos eixos de rotação

Torque máximo de vento

• Análise Modal

• Levantamento da resposta em freqüência

Excitação em azimute

Excitação em elevação

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

MODELO FEM

Legenda:

Alumínio E = 7,0e4 MPa = 0,3 = 2,8e-9 ton/mm3

Aço E = 2,1e5 MPa = 0,3 = 7,85e-9 ton/mm3

FixaçãoDx = 0 mm

Dy = 0 mm Dz = 0 mm

Modelo em EF

45958 Nós

43779 Elementos

254877 DOFs

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE ESTÁTICA – PESO PRÓPRIO

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE ESTÁTICA – TORQUE DE VENTO

Perpendicular (0o)

Inclinada (45o)

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE ESTÁTICA – DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE ESTÁTICA – DETERMINAÇÃO DA INÉRCIA

Azimute

Elevação

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

LEVANTAMENTO DA RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA

Ponto 4 Ponto 5

Ponto 6

Ponto 7

Ponto 3

Ponto 2

Ponto 1

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE MODAL

1º Modo: 5.43 Hz 2º Modo: 9.60 Hz

3º Modo: 13.95 Hz 7º Modo: 16.03 Hz

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

ANÁLISE MODAL EXPERIMENTAL

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CÁLCULO DA RESSONÂNCIA DA PLATAFORMA

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

CÁLCULO DA RESSONÂNCIA DA PLATAFORMA

a

b

4224nb

3

ba

2

a

3D

3

2f

2

3

112

EhD

D8

3

2f ba para

2n

fn~1,02 Hz

Dados:

- Vão: 1660x1660mm

- Espessura: 33mm

- Material: Aço 1020

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

IMPLANTAÇÃO

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

IMPLANTAÇÃO

vídeos

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CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA

AGRADECIMENTOS