Projeto e implementação do controle de posição de uma antena de radar meteorológico através de... por Fabiano Armellini - Versão HTML

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

FABIANO ARMELLINI

Projeto e implementação do controle de posição de uma antena de radar

meteorológico através de servomecanismos

São Paulo

2006

FABIANO ARMELLINI

Projeto e implementação do controle de posição de uma antena de radar

meteorológico através de servomecanismos

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para obtenção do

título de Mestre em Engenharia.

Área de concentração: Engenharia de Controle e

Automação Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Agenor de Toledo Fleury

São Paulo

2006

FICHA CATALOGRÁFICA

Armellini, Fabiano

Projeto e implementação do controle de posição de uma antena de

radar meteorológico através de servomecanismos / F. Armellini – São

Paulo, 2006.

123 p.

Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São

Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas

Mecânicos.

1. Sistemas de Controle 2. Servomecanismos 3. Antenas

4. Estruturas Flexíveis (Controle) 5. Radares I.Universidade de São

Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecatrônica e

de Sistemas Mecânicos II.t.

Ad Deum, qui lætíficat juventútem meam (Ps XLII, 4)

AGRADECIMENTOS

Há tantas pessoas dignas de menção, que temo ser injusto nesta hora, pelos nomes

que forçosamente terei que omitir em função do curto espaço que tenho para tal.

Primeiramente eu gostaria de agradecer e prestar homenagem aos meus pais, Laerte

e Neusa, a quem Deus confiou minha educação e formação, que sempre procuraram

corresponder a esta responsabilidade com muito zelo, dedicação e sacrifício.

Gostaria também de agradecer ao Prof. Dr. Orlando Fedeli, à sua esposa, a Profa.

MSc. Maria Ivone Pereira de Miranda Fedeli e a todos da Associação Cultural

Montfort que, pelo conhecimento, convívio e bom exemplo, muito contribuem para a

minha formação cultural e religiosa.

No que tange a minha formação acadêmica e profissional, agradeço primeiramente a

todos os professores do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica

da USP, nominal e especialmente ao meu orientador de mestrado, o Prof. Dr. Agenor

de Toledo Fleury (2003-2006), ao orientador de minha dissertação de graduação, o

Prof. Dr. Diolino José dos Santos Filho (2002) e ao meu orientador de Iniciação

Científica, o Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski (1998-2000).

Devo uma menção especial aos meus grandes amigos e sócios da Allagi Engenharia,

Eng. MSc. Bruno Rondani, Eng. Rafael Rocha Levy, Eng. Henri Shinichi de Souza

Okajima e Eng. MSc. Gustavo Ribeiro Alves, pelo contínuo apoio e incentivo.

Agradeço também à Omnisys Engenharia, nas pessoas de seus sócios-diretores: Eng.

MSc. Luiz Manoel Dias Henriques, Eng. Edgard Lima de Meneses e Eng. Jorge

Hidemi Ohashi, não só pela bolsa de estudos oferecida para realização do presente

trabalho, mas principalmente pela confiança e pela oportunidade.

Finalmente, agradeço à Fapesp, na pessoa de seu Presidente, o Prof. Dr. Carlos Vogt,

pelo financiamento do projeto através do Programa de Inovação Tecnológica em

Pequena Empresas (PIPE), fases II e III.

Ó tu, quem quer que sejas, que te sentes longe da

terra firme, arrastado pelas ondas deste mundo, no

meio das borrascas e tempestades, se não queres

soçobrar, não tires os olhos da luz desta estrela. Se o

vento das tentações se levanta, se o escolho das

tribulações se interpõe em teu caminho, olha a

estrela, invoca Maria. Se és balouçado pelas vagas do

orgulho, da ambição, da maledicência, da inveja, olha

a estrela, invoca Maria. Se a cólera, a avareza, os

desejos impuros sacodem a frágil embarcação de tua

alma, levanta os olhos para Maria. Se, perturbado

pela lembrança da enormidade de teus crimes,

confuso à vista das torpezas de tua consciência,

aterrorizado pelo medo do Juízo, começas a te deixar

arrastar pelo turbilhão da tristeza, a despenhar no

abismo do desespero, pensa em Maria.

Nos perigos, nas angústias, nas dúvidas, pensa em

Maria, invoca Maria. Que seu nome nunca se afaste

de teus lábios, jamais abandone teu coração; e para

alcançar o socorro da intercessão dela, não

negligencies os exemplos de sua vida. Seguindo-a,

não te transviarás; rezando a ela, não desesperarás;

pensando nela, evitarás todo erro. Se ela te sustenta,

não cairás; se ela te protege, nada terás a temer; se ela

te conduz, não te cansarás; se ela te é favorável,

alcançarás o fim. E assim verificarás, por tua própria

experiência, com quanta razão foi dito: E o nome da

Virgem era Maria."

São Bernardo de Claraval

RESUMO

Uma antena-radar clássica é composta basicamente de uma fonte primária justaposta

a um foco refletor parabólico. A lei de iluminação é estabelecida de maneira a

satisfazer, tão precisamente quanto possível, a forma do feixe desejado. É a

movimentação do conjunto que garante a cobertura de exploração desejada.

O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz

de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parâmetros e restrições

definidas. Os objetivos do trabalho são: levantar e estudar os fatores relevantes para

especificação de um projeto de controle de posição de uma antena-radar através de

servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posição através

de servomecanismo; propor um modelo estrutural teórico consistente do conjunto

antena-radar para fins de simulação dinâmica e análise modal da estrutura, e

apresentar a implantação do sistema de controle proposto num projeto real de

Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorológico.

A proposta de controle foi aplicada com êxito no Modelo de Engenharia do Radar

Meteorológico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consórcio Omnisys/Atech,

que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma

estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em consideração para o

desenvolvimento de um projeto deste tipo.

Como conclusões do texto, são apresentadas considerações com relação ao projeto,

apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento.

Palavras-chave: Sistemas de Controle; Servomecanismos; Antenas; Controle de

Estruturas Flexíveis; Radares

ABSTRACT

A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the

focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the

desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the

set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation.

The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of

supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and

restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant

factors for the specification of a control system design for the positioning of a servo-

driven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system

design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar

antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the

structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in

a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna.

The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the

Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech,

installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form,

all relevant factor that must be taken into account in the development of such design.

The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the

design, which point out faults and weak points of the development.

Keywords: Control Systems; Servomechanisms; Antennas; Flexible Structure Control;

Radars

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Sistema esférico de coordenadas utilizado em radares............................................................18

Figura 2 Diagrama em blocos fundamental de um sistema radar .........................................................19

Figura 3 Volume meteorológico produzido pelo radar RMD700S-1M ..................................................21

Figura 4 Radar móvel de aquisição de alta potência (HIPAR) da Nike Air Defence .............................23

Figura 5 Tela de monitoramento de tráfego aéreo .................................................................................23

Figura 6 Tipos de posicionador..............................................................................................................25

Figura 7 Posicionadores do tipo Elevação sobre Azimute (EL/AZ) ......................................................26

Figura 8 Mecanismo do tipo Azimute sobre Elevação (AZ/EL) ............................................................26

Figura 9 Mecanismo "hexapod"..............................................................................................................27

Figura 10 Antena hexapod Banda X da Zodiac/In-Snec ..........................................................................28

Figura 11 Radar phased-array THAAD (Theater High Altitude Area Defense) ...........................................29

Figura 12 Radar GBR-P da Raytheon com tecnologia phased-array híbrida............................................30

Figura 13 Servomecanismo de acionamento manual .............................................................................35

Figura 14 Malha de controle básica para servomecanismos ..................................................................35

Figura 15 Malha de rastreamento automático........................................................................................36

Figura 16 Radome ..................................................................................................................................43

Figura 17 Redundância da representação angular em radares de trajetografia .....................................46

Figura 18 Funcionamento básico de um motor brushless........................................................................49

Figura 19 Construção de um motor brushless de 3 fases.........................................................................50

Figura 20 Modulação PWM das fases U, V e W de um motor brushless de 3 fases ................................51

Figura 21 Retificador de entrada do servoconversor .............................................................................51

Figura 22 Modulação na saída do servoconversor por IGBT's...............................................................52

Figura 23 Princípio de funcionamento do encoder óptico absoluto ........................................................54

Figura 24 Protocolo de comunicação serial padrão SSI..........................................................................58

Figura 25 Camadas de proteção contra fim-de-curso.............................................................................62

Figura 26 Rampa de atenuação do batente eletrônico superior .............................................................63

Figura 27 Principais dimensões da antena com radome. .......................................................................64

Figura 28 Gráfico do torque de vento de acordo com a posição da antena............................................68

Figura 29 Cálculo do torque de vento por meio de análise FEM ...........................................................68

Figura 30 Diagrama da malha de controle .............................................................................................70

Figura 31 Acoplamento dos eixos em trajetografia ................................................................................70

Figura 32 Modelo mecânico da planta ...................................................................................................71

Figura 33 Modelo elétrico do servomotor ..............................................................................................73

Figura 34 Diagrama em blocos de controle do sistema ..........................................................................74

Figura 35 Lugar das raízes para a malha aberta de controle de posição ................................................76

Figura 36 Função de transferência..........................................................................................................79

Figura 37 Representação dos bastidores do Modelo de Engenharia ......................................................83

Figura 38 Modelo de Engenharia do Radar RMD700S-1M em Mogi das Cruzes/SP ............................86

Figura 39 Diagrama em blocos geral do sistema de controle .................................................................87

Figura 40 Contexto de software ...............................................................................................................89

Figura 41 Arquitetura de software...........................................................................................................89

Figura 42 Modos de operação do software de controle ...........................................................................91

Figura 43 Função de filtragem proporcional do erro (com saturação) ...................................................92

Figura 44 Tela principal do software IHM...............................................................................................94

Figura 45 Sub-tela de operação em modo fixo .......................................................................................95

Figura 46 Sub-tela de operação em modo varredura .............................................................................95

Figura 47 Sub-tela de operação em modo manual .................................................................................95

Figura 48 Sub-tela de configuração do controlador ...............................................................................96

Figura 49 Modelo sólido CAD do Conjunto Antena-Posicionador AN700S..........................................98

Figura 50 Dimensões gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S...................................................99

Figura 51 Redução do mecanismo de azimute.....................................................................................102

Figura 52 Redução do mecanismo de elevação ....................................................................................103

Figura 53 Diagrama em blocos da interface entre encoders e controlador. ...........................................105

Figura 54 Efeito da variação de Kp nos pólos de malha aberta de azimute .........................................107

Figura 55 Lugar das raízes de malha (de posição) aberta para azimute – baixo Kp .............................108

Figura 56 Lugar das raízes de malha (de posição) aberta para azimute – alto Kp................................109

Figura 57 Efeito da variação de Kp nos pólos de malha aberta de elevação ........................................109

Figura 58 Lugar das raízes de malha (de posição) aberta para elevação – baixo Kp ............................110

Figura 59 Lugar das raízes de malha (de posição) aberta para elevação – alto Kp ...............................110

Figura 60 Modelo sólido do mecanismo (Modelo de Engenharia) ......................................................112

Figura 61 Superfície média (Modelo de Engenharia) ...........................................................................112

Figura 62 Modelo em elementos finitos e propriedade dos materiais (Modelo de Engenharia)..........113

Figura 63 Modelo do acoplamento do eixo de Elevação ......................................................................113

Figura 64 Resultados da Análise Modal (Modelo de Engenharia) .......................................................115

Figura 65 Distribuição dos acelerômetros para análise modal experimental.......................................116

Figura 66 Modo de vibração na direção vertical (elevação) obtido por análise modal experimental ..117

Figura 67 Modo de vibração de 1,2Hz na direção horizontal (azimute) obtido por análise modal

experimental .................................................................................................................................117

Figura 68 Modo de vibração de 1,2Hz na direção norte (acoplamento azimute-elevação) obtido por

análise modal experimental ..........................................................................................................118

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Subsistemas do Radar ..............................................................................................................84

Tabela 2 Características da Antena ........................................................................................................97

Tabela 3 Principais características do Conjunto Antena-Posicionador ..................................................97

Tabela 4 Dimensões gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S ....................................................98

Tabela 5 Fatores de redução no mecanismo de azimute ......................................................................103

Tabela 6 Fatores de redução no mecanismo de elevação .....................................................................103

Tabela 7 Características dos encoders ópticos........................................................................................105

Tabela 8 Parâmetros do modelo simulado ...........................................................................................107

Tabela 9 Freqüências naturais e fatores de participação modal (Modelo de Engenharia) ...................114

LISTAS DE SIGLAS E DEFINIÇÕES

AC

Alternating current (corrente alternada)

AZ

Eixo de azimute

BITE

Built-in test equipment (equipamento integrado de testes)

CAD

Computer-aided Design (projeto auxiliado por computador)

CAE

Computer-aided Engineering (engenharia auxiliada por computador)

CI

Circuito integrado

DC

Direct current (corrente contínua)

EDO

Equação diferencial ordinária

EL

Eixo de elevação

FEM

Finite-element Method (método dos elementos finitos)

FPGA

Field-programmable gate array (vetor de portas programável em campo)

IGBT

Insulated gate bipolar transistor

IHM

Interface homem-máquina

Modelo de

Modelo completo e representativo do produto quanto a dimensões, materiais e

Engenharia

interfaces, para validação da solução adotada.

PID

Controle proporcional-integral-derivativo

PRF

Pulse repetition frequency (freqüência de repetição de pulsos)

PWM

Pulse width modulation (modulação por largura de pulso)

RX

Recepção

TTL

Transistor-transistor logic (lógica transistor-transistor)

TX

Transmissão

Very high speed integrated circuits hardware description language (linguagem de

VHDL

descrição de circuitos integrados em hardware de alta velocidade)

ÍNDICE