Este documento apresenta o projeto e implementação do controle de posição de uma antena de radar meteorológico através de servomecanismos. Os objetivos incluem especificar o projeto, propor um modelo teórico da estrutura da antena para simulação e análise, e implementar o sistema de controle proposto em um projeto real de engenharia para um radar meteorológico.

1. 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

2. 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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3. 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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4. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
SISTEMA DE COORDENADAS
Azimute
Elevação
Distância
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5. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
MÓDULOS PRINCIPAIS DE UM SISTEMA RADAR
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6. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
APLICAÇÕES CLÁSSICAS DE RADAR
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7. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ESTRATÉGIAS PARA PROBLEMA DE CONTROLE
• Servomecanismo
• Phase array
• Hexapod (Stewart)
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8. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
CONTROLE POR SERVOMECANISMOS
Acionamento manual
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9. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
CONTROLE POR SERVOMECANISMOS
Controle automático
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10. 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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11. 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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12. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
PROPOSTA DE CONTROLE
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13. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
CONTEXTO DE SOFTWARE
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14. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
MODOS DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
Teste NumTeste
posEL
Posição
posAZ
velEL
Velocidade
velAZ
EL • Teste
Erro
AZ
• Posição
posEL
Modos de
operação
Designação
posAZ
• Velocidade
Normal
posEL
• Ecartometria (ou modo erro)
velAZ
AZ lim+
• Designação
Setorial
posEL • Varredura
velAZ
Varredura lim-
posAZ
Normal
velEL
EL lim+
posAZ
Setorial
velEL
lim-
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15. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ARQUITETURA DE SOFTWARE
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16. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
MODELAGEM DO OBJETO DE CONTROLE
  k  m     b
J cc  
c c
 N 
k  m 
J m  m   m 
   c 
N N 
Is  1
G el s   
Vm s   Vb s  Ls  R
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17. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
MODELAGEM DO OBJETO DE CONTROLE
 m s  N 2 J c s 2  bs  k 
G 1 s   
 m s  s  J m J c N 2 s 2  bJ m N 2 s  k J m N 2  J c 
 c s  k
G 2 s    N
 m s  s  J c s  bs  k 
2
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18. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
RESPOSTA DO SISTEMA (elevação)
ROOT LOCUS BODE PLOT
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19. 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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20. 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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21. 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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22. 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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23. 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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24. 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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25. 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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26. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
MODELO FEM Modelo em EF
45958 Nós
43779 Elementos
254877 DOFs
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
Fixação
Dx = 0 mm
Dy = 0 mm
Dz = 0 mm
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27. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ANÁLISE ESTÁTICA – PESO PRÓPRIO
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28. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ANÁLISE ESTÁTICA – TORQUE DE VENTO
Perpendicular (0o)
Inclinada (45o)
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29. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ANÁLISE ESTÁTICA – DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ
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30. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ANÁLISE ESTÁTICA – DETERMINAÇÃO DA INÉRCIA
Elevação
Azimute
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31. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
LEVANTAMENTO DA RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA
Ponto 7
Ponto 6
Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5
Ponto 2
Ponto 1
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32. 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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33. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
ANÁLISE MODAL EXPERIMENTAL
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34. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
CÁLCULO DA RESSONÂNCIA DA PLATAFORMA
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35. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
CÁLCULO DA RESSONÂNCIA DA PLATAFORMA
a
Dados:
- Vão: 1660x1660mm
b
- Espessura: 33mm
- Material: Aço 1020
2 D  3 2 3 
fn   4 2 2  4
3 a a b b 
para a  b    fn 
2 8D fn~1,02 Hz
3 2 
Eh 3
D

12 1   2 
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36. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
IMPLANTAÇÃO
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37. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
IMPLANTAÇÃO
vídeos
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38. CONTROLE DE POSIÇÃO DE ANTENA
AGRADECIMENTOS
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