Control de una antena parabólica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA ´ ´ FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRICA Y ELECTRONICA

´ DE UNA ANTENA CONTROL DE POSICION ´ PARABOLICA 20141245D - PAJUELO VILLANUEVA, MIGUEL ANGEL

CONTROL TEMPORAL

Control de una antena parab´ olica

1.

Control Temp oral

Intr In trod odu ucc cci´ i´ on on

La identificaci´ on de sistemas de control posee un campo muy amplio. El presente trabajo on se enfocar´ a en la identificaci´ on on de los sistemas de control y lo diversos métodos etodos que abarca abar ca esta técnica ic a

2.

Obje bjetivo Implementar un prototipo que servir´ a para el control de posicionamiento de una antena Realizar las diferentes técnicas ecnicas de identificaci´ on on del sistema Desarrollar el dise˜ no de un controlador para mejora el proceso de desempe˜ no no no

3.

Ante Antena na Par arab ab´ olica o ´lica

La antena parab´ olica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parab´ olica olico, cuya superficie en realidad es un paraboloide de revoluci´ on. on. Las antenas parab´ olicas olicas pueden ser transmisoras, receptoras o full d´ uplex. Suelen ser utilizadas a frecuencias altas y tienen una uplex. ganancia elevada.

Figura 1: Antena parabólica olica

4.

Sist Sistem emas as de con control trol

Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez en su conjunto de las partes de una máquina aquina que funcionan juntas, el prop´ osito de la cual se ejecutan una operaci´ osito on on particular.

´ ANALISIS A LAZO ABIERTO En este an´ alisis, la salida no afecta la acción alisis, on de control, esto está afectada a las perturbaUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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ciones que afectan negativamente el valor de la salida del sistema. Analizando el control de la posición on de la antena parabólica olica

Figura 2: Análisis alisis a lazo abierto Plantear este sistema nos genera mucha inestabilidad, por ello usaremos el siguiente an´ alialisis.

´ ANALISIS A LAZO CERRADO Tambi´ ambién en se denominan denominan sistemas sistemas de control control realimentado realimentados, s, ello nos reduce el error de un sistema

Figura 3: Análisis alisis a lazo cerrado UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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Realizaremos el sistema de control autom´ atico del sistema en lazo cerrado atico

Figura 4: Sistema en an´ alisis alisis a lazo cerrado Este sistema est´ a realimentado por un sensor que conectar´ a el estado actual de la antena con el controlador. controlador. Ante la posible alteraci´ on de la posición on deseada de la antena parab´ oliolica se detectar´ a mediante el dispositivo SENSOR, que enviar´ a los datos al CONTROLADOR para que mediante los drivers (software) resuelva el error (cambio de posición on de la antena) generado de la antena.

5.

An´ alisis alisis del problema problema

En control de posici´ on de una antena interviene el factor ambiental ya que las ráfagas on afagas de viento pueden afectar la posici´ on de una antena pero en nuestro caso ha sido descartado ya que on la planta al ser analizada es un modelo escala real. Otro factor importante a considerar, es la inercia del sistema producido de los engranajes, tomando en consideraci´ on el material de los engranajes y el completo acople de los mismos para on que no suceda ning´ un un problema de fuga. Se pretende controlar la posici´ on on angular φ de una antena parab´ olica de acuerdo a una referenolica cia φref actuando sobre la tensi´ on on de alimentaci´ on del Servomotor (VA) que mueve la antena on a partir de una reductora de engranajes. Como toda antena, ésta esta debe tener l´ınea de d e vista con el transmisor para su mejor me jor desempe˜ desempeno, ˜ por tal motivo se debe colocar en un lugar de buena recepci´ on. on. Como se sabe, las ráfagas afagas de viento son capaces de mover objetos pesados, incluso pueden desorientar la antena, por lo cual es necesario contar con un control de posici´ on para reubicar la antena. Se aclara que vamos a hacer uso de un Servomotor modulado por PWM(Pulse-Width Modulation), el cual es un dispositivo electromec´ anico anico que convierte una un a serie de impulsos eléctricos ectricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de avanzar una serie de grados dependiendo de sus entradas de control. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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Este tipo tip o de modulación on presenta las ventajas de tener ten er alta precisi´ on y confiabilidad en cuanto al posicionamiento.

6.

Razo Ra zone ness para para con contr trol olar ar una una an antena tena

Una antena es el elemento que se utiliza en la transmisión on o recepción on de las ondas electromagn ma gn´étic et icas as.. Como dispositivo transmisor, la antena debe convertir los componentes de tensi´ on on y corriente de la se˜ nal nal en campos camp os eléctricos ectri cos y magn´ m agnéticos etico s para p ara que combinados combinad os se propaguen prop aguen a través es del espacio. Inversamente, durante la recepci´ on, on, la antena a ntena debe deb e intercep int erceptar tar los campos camp os el´ e léctricos ectr icos y magn´ ma gnétieticos que qu e constitu con stituyen yen la energ´ e nerg´ıa ıa de la se˜ senal ˜ transmitida para reconvertirla en los valores de tensión on y corriente para su amplificaci´ on on y demodulación. on. Su principal función on es concentrar el punto focal la mayor cantidad de ondas o ndas electromagn´ elect romagnéticas eticas que se reciben desde los equipos electr´ onicos onicos ubicados u bicados en e n el satélite, elite, para par a que este campo después es sea amplificado a los niveles adecuados adecuad os y permita p ermita su manejo en el sistema de recuperaci´ recup eraci´ on de la se˜ nal nal (decodificador).

7.

Constr nstru ucci´ ci´ on on del controlador

Implementaremos un controlador, con el objetivo de mejorar la posici´ on on de la antena. El controlador necesario es un Control P (proporcional). La herramienta necesaria para a elaboraci´ on de nuestro contolador es SISOTOOL de MATLAB. Esta herremienta es muy util on ´ ya que nos no s muestra las trayectorias t rayectorias de las raices, ra ices, as´ı como las gr´ aficas necesarias que nos muestra aficas el sobrenivel porcentual, tiempo de estabilizaci´ on, porcentaje de error del sistema, etc. on, MATLAB >> tf(0e442); >> SISOTOOL;

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Figura 5: Ventana de Matlab La pantalla que no se presenta pres enta nos muestra las trayectorias trayecto rias de las ra´ ra´ıces, as´ as´ı como c omo también en el esquema del diagrama de bloques que se debe dise˜ nar nar en el lazo cerrado. Esta interfaz es muy amigable con el usuario, debido a que es un entorno gr´ afico y podemos dise˜ nar a prueba de error, ya sea modificando la trayectoria, agregando polos o ceros al contronar lador o cambiando su ganancia gana ncia moviendo las ra´ıces ıces sobre so bre la trayectoria. Es condiciones normales, el coeficiente del bloque H (Ganancia o función on de transferencia del sensor), F (del prefiltro) y C (Controlador) es igual a 1.


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Figura 6: Ventana de control y estimaci´ on on de Sisotool Ahora dise˜ naremos el controlador P naremos Datos iniciales de nuestra planta sin controlador En condiciones normales tenemos lo siguiente:


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Figura 7: Respuesta del modelo Overs Overshoo hoott = 11 % Tiempo de estabilizaci´ on o n = 10.4 s Como ya conocemos los valores valores que debemos mejorar, tenemos un ob jetivo jetivo claro al que debemos llegar, el cual consiste en mejorar dichos dichos valores para obtener un dise˜ no de control control eficiente para nuestra planta. Procedemos a manipular manipular las trayectorias trayectorias de las ra´ ra´ıces hasta obtener la respuesta deseada.


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Figura 8: Ventana de trayectoria de las ra´ ra´ıces de Sistool Oversh Overshoot oot = 11.9 11.9 % Tiempo de estabilizaci´ on o n = 56.1 s De acuerdo a este controlador obtuvimos un tiempo de estabilizaci´ on o n más a s rápido, apido, el cual es muy indispensable en el control de posicionamiento en una antena, es decir, hemos mejorado el control de nuestro sistema. ´ PARAMETROS DEL CONTROLADOR P Planta identificada en Simulink

Figura 9: Diagrama de bloques en Simulink Debemos ingresar los par´ ametros adecuados para el dise˜ ametros no de nuestro controlador. no


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Figura 10: Diagrama de par´ amtros amtros PID k p = 6,5 ki = 0 kd = 0

Resultados Resultados del controlador: controlador: 442A = 92,98 % OE 442 Señal nal de entrada

Figura 11: Se˜ nal de entrada en la planta real nal UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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Figura 12: Diagrama de bloques en Simulink con en controlador en la planta real Salida del Scope:

Figura 13: Salida de la planta real luego de la perturbación on En esta gráfica afica de salida de nuestra planta podemos notar claramente que el tiempo de estabilización on de nuestra planta es mucho m´ as a s rápido apido y no tiene un valor pico sino que se ve casi suavizada la gráfica, afica, esto se debe al compensador y a los correctos par´ ametros ametros estimados. estimados.

8.

Conc Conclu lusi sion ones es La utilizaci´ utilizaci´ on de sistemas, permite identificar los modelos sencillos cuya implementación on on matemática atica es factible, permitiendo la simulaci´ on on de los sistemas analizados, as´ as´ı como c omo el trabajo en tiempo real. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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Al tener que construir proyectos de este tipo hay que conocer que variables hay que medir y controlar, que equipos de instrumentaci´ on se van a utilizar al igual que los actuadores on para ayudar a controla el proceso en base al controlador, ya que si no se tiene presente esto, no se podrá hacer una correcta identificaci´ on on del sistema. Para el dise˜ no de nuestra planta de estudio fue necesario conseguir el Servomotor en bajas no revoluciones, para un control optimo o´ptimo de posicionamiento de antena, para que tenga un giro pr´ acticamente acticamente de paso y obtenga una l´ınea de vista punto a punto con co n el satélite elite y de este modo tener la recepci´ on on adecuada Por medio de las pruebas realizadas, podemos concluir que tal controlador tipo P ofrece un control suave al sistema cuando recibe una perturbaci´ on y logra la estabilizaci´ on on on en el menor tiempo posible. La adquisici´ adquisici´ on on de datos datos a trav´ trav´ es es de Matlab Matlab permite permite conectar conectarnos nos en tiempo tiempo real con procesos anal´ ogicos, digital en forma simple. Matlab reconoce los sistemas de adquisición ogicos, on de datos de la mayor´ mayor´ıa de fabricante conocidos.


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