estudo de um sistema de controle ativo de

152
INPE-9780-TDI/862 ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE PRECESSÃO PARA FOGUETES DE SONDAGEM Michel Silas Guilherme Dissertação de Mestrado em Engenharia e Tecnologia Espaciais/Mecânica Espacial e Controle, orientada pelo Dr. Waldemar de Castro Leite Filho, aprovada em 27 de agosto de 2001. INPE São José dos Campos 2003

Upload: lyphuc

Post on 07-Jan-2017

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

INPE-9780-TDI/862

ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DEPRECESSÃO PARA FOGUETES DE SONDAGEM

Michel Silas Guilherme

Dissertação de Mestrado em Engenharia e Tecnologia Espaciais/Mecânica Espacial eControle, orientada pelo Dr. Waldemar de Castro Leite Filho,

aprovada em 27 de agosto de 2001.

INPESão José dos Campos

2003

Page 2: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

629.7. 062 . 2

GUILHERME, M. S. Estudo de um sistema de controle ativo de precessão para foguetes de sondagem / M. S. Guilherme. – São José dos Campos: INPE, 2001. 149p. – (INPE-9780-TDI/862).

1.Precessão. 2.Controle ativo. 3.Controle de atitude. 3.Foguetes de sondagem. 4.Guiagem (movimento). I.Título.

Page 3: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 4: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 5: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

...Amigo é coisa pra se guardar

debaixo de sete chaves,

dentro do coração...

MILTON NASCIMENTO E FERNANDO BRANT

Page 6: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 7: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

A minha avó,

Terezinha.

Page 8: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 9: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

AGRADECIMENTOS

Ao Dr. Waldemar de Castro Leite Filho, por sua competência, compreensão

e dedicação na orientação deste trabalho. Sinto-me muito honrado por ter-lhe

conhecido e sido orientado por ele. É um exemplo de profissional que faz o seu

trabalho sempre preocupado com o progresso.

Aos membros da banca pela análise e sugestões deste trabalho.

Aos colegas Adjame, pelos incentivos e por ajudar na solução de alguns

problemas, Adenilson por ter-me ajudado na iniciação ao Matlab, a Jocenice por

alertar na incoerência de alguns erros gramaticais, e ao Prof. Marcelo Lopes por

ajudar-me na elucidação de alguns problemas.

A todos os grandes colegas que conheci no INPE, especialmente Cassio e

Ricardo.

Aos amigos que colaboraram pelo desenvolvimento deste trabalho,

encorajando-me a atingir o objetivo. Principalmente os que encontrei em São José

dos Campos.

Page 10: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 11: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

RESUMO

Durante o vôo de um foguete de sondagem surgem várias perturbações,sendo as mais expressivas advindas de desvio de jato, desbalanceamentodinâmico e separação de estágios, que induzem movimento de precessão sobre oveículo, apesar da estabilização por rotação. Dependendo da sua amplitude, estemovimento pode ser prejudicial para uma missão espacial. Devido a isso, estetrabalho mostra os estudos de um sistema de controle ativo para estacionar omovimento de precessão numa amplitude satisfatória, que não resulte emproblemas para o objetivo da missão espacial. O sistema de controle estudado éproporcional à velocidade angular do sistema de referência do corpo do veículo.Deste sistema de controle proposto, estudou-se o caso de controle de um e doiseixos. Para o caso do controle de um eixo propôs-se a estratégia de defasar o eixosensor do eixo de atuação, de um certo ângulo. Isto resulta numa diminuição desensores e atuadores do sistema de controle embarcado. Verificou-se que esteângulo é sensível à rotação induzida e à orientação da entrada de perturbaçãosobre o veículo. Por fim, estudou-se o caso do sistema de controle proporcionalcom atuador liga-desliga (on-off). Este se mostrou bastante satisfatório emresolver o problema da precessão e ainda apresentou vantagens em relação aosistema de controle proporcional com atuador proporcional.

Page 12: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 13: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

A STUDY OF AN ACTIVE PRECESSION CONTROL SYSTEM (SCAP)

FOR SOUNDING ROCKETS

ABSTRACT

During the flight of a spacecraft there will be various sources of

perturbations, where the most expressive are jet misalignment, dynamic

unbalance, stages separation, that induce a precession motion, in spite of the spin

stabilization. This motion, whose amplitude is proportional to the magnitude of the

perturbation, can become catastrophic, ultimately leading to mission abort. To

ensure that the precession motion remains within prescribed limits a control law

proportional to the angular velocities in the body frame was proposed. A control

system of one and two axes was studied. On the one axis control system the

strategy of misalignment between sensor and actuators was studied. This strategy

implies in reducing the number of sensors and actuators of the control system. It

was observed that the angle is sensible to the spin and disturbance orientation.

Finally, a control system with an on-off actuator was studied. It shown to be very

satisfactory, in respect to the amplitude of the precession motion and control

torque, and present advantages in comparison with the control system with

proportional actuator.

Page 14: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 15: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

SUMÁRIO

Pag.

LISTA DE FIGURAS.......................................................................................... 15

LISTA DE TABELAS......................................................................................... 21

CAPÍTULO 1 - APRESENTAÇÃO....................................................................... 23

1.1 - Introdução............................................................................................ 23

1.2 - Motivação............................................................................................. 27

1.3 - Revisão Bibliográfica............................................................................ 28

1.4 - Organização do Trabalho..................................................................... 33

CAPÍTULO 2 - EQUAÇÕES DE MOVIMENTO........................................................ 35

2.1 - Sistemas de Referência....................................................................... 35

2.2 - Movimento rotacional de um corpo rígido............................................ 36

2.2.1 - Movimento de um corpo rígido eixo-simétrico livre de torque

externo............................................................................................ 37

2.2.2 - Movimento de um corpo rígido eixo-simétrico sujeito a um torque

externo constante.............................................................................. 44

CAPÍTULO 3 - SISITEMA DE CONTROLE............................................................ 49

3.1 - Leis de Controle................................................................................... 49

3.2 - Controladores....................................................................................... 49

3.3 - Sistemas de controle proporcional com atuador proporcional............. 51

3.3.1 - Realimentação nas componentes de velocidade angular................. 53

3.3.1.1 - Perturbação em apenas um eixo (y).............................................. 53

3.3.2 - Realimentação de apenas uma componente de velocidade

angular........................................................................................... 78

3.3.2.1 - Perturbação na direção do eixo y.................................................. 79

Page 16: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

3.3.2.2 - Perturbação na direção do eixo.z.................................................. 99

3.4 - Conclusão............................................................................................ 112

CAPÍTULO 4 - VARIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO E DA ROTAÇÃO............................. 115

4.1 - Variação da Perturbação..................................................................... 115

4.2 - Variação da Rotação............................................................................ 120

4.3 - Conclusão............................................................................................ 126

CAPÍTULO 5 – SISTEMA DE CONTROLE PROPORCIONAL COM ATUADOR

ON-OFF.............................................................................. 127

5.1 - Realimentação de duas componentes de velocidade angular............. 127

5.2 - Realimentação de apenas uma componente de velocidade angular.. 132

5.3 - Conclusão............................................................................................ 135

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO E COMENTÁRIOS.................................................... 137

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................... 139

APÊNDICE A - CINEMÁTICA ROTACIONAL......................................................... 141

APÊNDICE B - PARÂMETROS UTILIZADOS........................................................ 145

APÊNDICE C – ARQUIVOS DE PROGRAMA DO MATLAB/SIMULINK...................... 147

Page 17: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

LISTA DE FÍGURAS

Pág.

1.1 - Movimento de Precessão e nutação num pião............................................ 23

2.1 - Movimento de um corpo rígido, eixo-simétrico, na ausência de torque externo.......................................................................................................... 38

2.2 - Eixos principais do SRC e a rotação induzida em torno do eixo de simetria (eixo x)............................................................................................. 39

2.3 - Ilustração do movimento de precessão de um veículo espacial na ausência de torque externo.......................................................................... 41

2.4 - Componentes de velocidade angular y e z (SRC) do movimento rotacional de um corpo rígido na ausência de torque externo..................... 42

2.5 - Ângulos de Euler (psi e theta)...................................................................... 42

2.6 - Movimento de precessão regular, de um corpo rígido, na ausência de torque externo............................................................................................... 43

2.7 - Ilustração do movimento de precessão de um veículo espacial com torque externo preso ao corpo girante.......................................................... 46

2.8 - Componentes de velocidade angular y e z (SRC) do movimento de precessão rotacional de um corpo rígido com torque externo...................... 47

2.9 - Movimento dos ângulos de Euler, Psi e Theta, com atuação de torque externo.......................................................................................................... 47

2.10 - Gráfico de psi vs Theta. Movimento de precessão provocado por perturbação persistente, torque externo constante................................... 48

3.1 - Diagrama de blocos do sistema de controle com dois controladores e entrada de perturbação em apenas um eixo (y)........................................... 53

3.2 - Soma dos valores absolutos das amplitudes das equações de controle, para 0 < ky < 1,6............................................................................................ 58

3.3 - Tempo de atuação do sistema de controle e perturbação, para o caso impulsional................................................................................................... 59

Page 18: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

3.4 - Gráfico da Eq. (3.16), referente à soma absoluta dos torques de controle nos dois eixos de atuação. Pico máximo de torque de 406,60 N.m. (controle atua 5s após a perturbação).......................................................... 60

3.5 - Ângulos de Euler ψ e θ................................................................................. 60

3.6 - Movimento de precessão estacionado em 5s após a atuação do sistema de controle. Amplitude de 3,66°.................................................................... 61

3.7 - Gráfico da Eq. (3.16), referente à soma absoluta dos torques de controle nos dois eixos de atuação. Pico máximo de torque de 396,10 N.m. (controle atua simultaneamente à perturbação)........................................... 61

3.8 - Ângulos de Euler ψ e θ................................................................................. 62

3.9 - Movimento de precessão estacionado em 5s após a atuação do sistema de controle. Amplitude de 0,75°.................................................................. 62

3.10 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação............................. 63

3.11 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando simultaneamente à entrada de perturbação.............. 63

3.12 - Tempo de atuação do sistema de controle para perturbação degrau........ 68

3.13 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atua 3s após a entrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de 53,70 N.m.................................................................................................. 68

3.14 - Ângulos de Euler........................................................................................ 69

3.15 - Movimento de precessão com atuação do sistema de controle depois da atuação da perturbação. Amplitude de 0,15°........................................ 69

3.16 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atua simultaneamente à entrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de 53,70 N.m................................................................................. 70

3.17 - Ângulos de Euler........................................................................................ 70

3.18 - Movimento de precessão com atuação do sistema de controle simultânea à entrada de perturbação......................................................... 71

3.19 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando 3s após a entrada de perturbação.................................. 71

3.20 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando simultaneamente à entrada de perturbação................... 72

Page 19: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

3.21 - Tempo de atuação do sistema de controle para perturbação degrau........ 73

3.22 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando de acordo com a Fig. (3.21a).......................................... 74

3.23 - Ângulos de Euler........................................................................................ 74

3.24 - Movimento de precessão com atuação do sistema de controle 3s após a entrada de perturbação. Amplitude de 0,14°........................................... 75

3.25 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando de acordo com a Fig. (3.21b).......................................... 75

3.26 - Ângulos de Euler........................................................................................ 76

3.27 - Movimento de precessão com atuação do sistema de controle simultânea à entrada de perturbação. Amplitude de 0............................... 76

3.28 - Em (a) são mostrados os eixos de atuação e os eixos sensores, ambos em y e z, e (b) é mostrado o eixo de atuação, em y, defasado de α do eixo sensor.................................................................................................. 78

3.29 - Diagrama de blocos do sistema de controle com um controlador e entrada de perturbação em apenas um eixo (y)......................................... 79

3.30 - Variação do primeiro e segundo picos com a variação do ângulo α, para ângulos de 0, 15, 30 e 45 graus................................................................. 84

3.31 - Amplitude de torque de controle com amplitude do primeiro e segundo picos de aproximadamente 521 N.m.......................................................... 86

3.32 - Torque de controle para perturbação impulsional (controle atua 5s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 579,80 N.m.......... 87

3.33 - Ângulos de Euler (sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação)................................................................................................ 87

3.34 - Movimento de precessão com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação. Amplitude de 3,43°.............................................. 88

3.35 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC. Sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação...................................................... 88

3.36 - Torque de controle para perturbação impulsional (controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de controle de 521,80 N.m ................................................................................................ 89

Page 20: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

3.37 - Ângulos de Euler (sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação)........................................................................................... 89

3.38 - Movimento de precessão com o sistema de controle atuando simultaneamente à entrada de perturbação. Amplitude de 0,70°............... 90

3.39 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC. Sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação....................................... 90

3.40 - Torque de controle para perturbação impulsional para um intervalo de tempo de 0 a 1s (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de 521.40 N.m.............................................................. 91

3.41 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atua 3s após a entrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de 62,00 N.m................................................................................................... 93

3.42 - Ângulos de Euler........................................................................................ 94

3.43 - Movimento de precessão controlado (controle atua 3s após a entrada de perturbação). Amplitude de 0,46°.......................................................... 94

3.44 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atuando 3s após a entrada de perturbação).................................................................. 95

3.45 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atua simultaneamente à entrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de 62,10 N.m................................................................................................... 95

3.46 - Ângulos de Euler........................................................................................ 96

3.47 - Movimento de precessão controlado (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação). Amplitude de 0°.................................................. 96

3.48 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação).............................................. 97

3.49 - Diagrama de blocos do sistema de controle com atuação em apenas um eixo (y), e perturbação no eixo z, perpendicular à atuação........................ 98

3.50 - Torque de controle para perturbação impulsional (controle atua 5s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 519,50 N.m........ 102

3.51 - Ângulos de Euler (sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação).............................................................................................. 102

3.52 - Movimento de precessão com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação. Amplitude de 3,78°............................................ 103

Page 21: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

3.53 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atua 5s após a entrada de perturbação)................................................................ 103

3.54 - Torque de controle para perturbação impulsional (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de 527,60 N.m............................................................................. 104

3.55 - Ângulos de Euler (sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação)......................................................................................... 104

3.56 - Movimento de precessão controlado (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0,79°............................................................. 105

3.57 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação)............................................ 105

3.58 - Torque de controle para perturbação degrau (controle atua 3s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 82,10 N.m............. 107

3.59 - Ângulos de Euler...................................................................................... 108

3.60 - Movimento de precessão controlado (controle atua 3s após a perturbação). Amplitude de 0,15°............................................................. 108

3.61 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atua 3s após a entrada de perturbação)................................................................ 109

3.62 - Torque de controle para perturbação degrau (controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de controle de 82,00 N.m............................................................................................ 109

3.63 - Ângulos de Euler...................................................................................... 110

3.64 - Movimento de precessão controlado (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0°.................................................................. 110

3.65 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação)............................................ 111

3.66 - Desvio do eixo longitudinal do veículo com o eixo do vetor momento angular. O ângulo δ é a amplitude do movimento de precessão.............. 112

4.1 - Variação da orientação da entrada de perturbação com o eixo de torque de controle (u é a amplitude total, igual a B).............................................. 114

4.2 - Gráfico da amplitude de controle versus variação do ângulo α para os seguintes ângulos de entrada de perturbação: 0°, 5°, 15°, 25°, 30°, 45°, 50°, 60°, 75° e 90°...................................................................................... 116

Page 22: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

4.3 - Gráfico da amplitude de torque de controle versus variação do ângulo α para os seguintes ângulos de entrada de perturbação (0°, 5°, 15°, 25°, 30°, 45°, 50°, 60°, 75° e 90°), considerando ky = 1,6, constante................ 117

4.4 - Ampliação da Figura (4.3) para ângulos α entre -15° e 5°. Vale a seguinte simbologia para cada ângulo ϕ de entrada de perturbação o 0°, 5°, +15º, ∆30°, ∗45°, 60°, ◊75° e x90°............................................................ 118

4.5 - Gráficos de amplitude de torque de controle versus α, considerando diferentes valores de rotação induzida. Para todos os gráficos tem-se a seguinte simbologia para cada ângulo ϕ de entrada de perturbação o 0°, 5°, +15º, ∆30°, ∗45°, 60°, ◊75° e x90°................................................... 120

4.6 - A figura (a) é o gráfico de amplitude torque de controle (pico máximo de 581 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s (amplitude de 0,74°), para o sistema de controle de um eixo (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 1 rps ( α = 7,5°, ky = 1,6, fixo, e kz = 0,209)........................................... 121

4.7 - A figura (a) é o gráfico de amplitude torque de controle (pico máximo de 584 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s (amplitude de 0,74°), para o sistema de controle de um eixo (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 2 rps ( α = -3°, ky = 1,6, fixo, e kz = -0,084)............................................ 122

4.8 - A figura (a) é o gráfico de amplitude torque de controle (pico máximo de 586 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s (amplitude de 0,75°), para o sistema de controle de um eixo (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 1 rps ( α = -5°, ky = 1,6, fixo, e kz = -0,139)............................................ 123

5.1 - Diagrama de blocos do sistema de controle de dois eixos com atuador on-off........................................................................................................... 125

5.2 - Componentes de velocidade angular do SRC. Atinge o estado estacionário em 2,5s................................................................................... 127

5.3 - Ângulos de Euler........................................................................................ 127

5.4 - Amplitude de torque de controle de 230 N.m. Freqüencia de abertura das vávulas de 2Hz..................................................................................... 128

5.5 - Movimento de precessão controlado para o sistema de controle on-off de dois eixos (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0,76°....................................................................................................... 128

Page 23: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

5.6 - Diagrama de blocos do sistema de controle de um eixo com atuador on-off........................................................................................................... 130

5.7 - Componentes de velocidade angular do SRC. Atinge o estado estacionário em 2,33s................................................................................. 131

5.8 - Ângulos de Euler........................................................................................ 131

5.9 - Amplitude de torque de controle de 241,50 N.m. Freqüencia de abertura das vávulas de 2Hz..................................................................................... 132

5.10 - Movimento de precessão controlado para o sistema de controle on-off de um eixo (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0,70°.................................................................................... 132

Page 24: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

LISTA DE TABELAS

Pág.

2.1 – Parâmetros para simulação da perturbação instantânea..............................34

2.2 – Parâmetros para simulação da perturbação constante.................................38

B.1 – Parâmetros para simulação das leis de controle.........................................117

Page 25: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE
Page 26: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

23

CAPÍTULO 1

APRESENTAÇÃO

1.1 INTRODUÇÃO

Para entender melhor o que são movimentos de precessão e de nutação de um

veículo espacial, talvez o melhor exemplo é entender o movimento de um pião.

Exceto no caso particular quando o seu centro de gravidade está localizado

verticalmente acima do ponto de contato com a superfície, estará instável quando

estiver parado e tenderá a tombar. Se ele for colocado para girar em torno do seu

eixo longitudinal se sustentará na vertical e uma pequena perturbação externa irá

causar movimento de precessão e nutação, de acordo com a figura abaixo (Ball e

Osborne, 1967):

FIGURA 1.1 - Movimento de precessão e nutação num pião.

Deste modo, a ação de rotacionar o pião o converteu de um corpo estaticamente

instável para um corpo dinamicamente estável.

O mesmo acontece com um foguete de sondagem que se move no espaço, que é

o objeto de trabalho deste estudo, ou em suas mediações onde a força de arrasto

Page 27: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

24

aerodinâmico seja desprezível. No caso do pião, os movimentos de precessão e

nutação são causados pela ação da força gravitacional. Já para o foguete, os

movimentos de precessão e nutação são causados por perturbações como

desbalanceamento dinâmico, desvio de jato e separações de estágios, como as

principais perturbações, que podem surgir antes, durante e depois da separação

do último estágio (Cornelisse, 1979). O último estágio do foguete de sondagem, o

qual contém uma carga útil, é rotacionado em torno do seu eixo longitudinal para

prever resistência a perturbações externas e prevenir desvios de trajetória. Isto é

chamado de estabilização giroscópica e é um método simples de estabilização,

largamente usado em foguetes e satélites.

A definição de movimentos de precessão e nutação deste trabalho diferencia da

definição da literatura de Mecânica Clássica como, Goldstein, 1950, e Greenwood,

1965, onde movimento de precessão e nutação são definidos para um corpo rígido

em rotação na ausência de torque externos. O presente trabalho segue, portanto,

a definição de movimentos de precessão e nutação de acordo com Wie, 1998, Ball

e Osborne, 1967. Segue também a definição de movimento de precessão de

Wertz, 1978, mas diferencia de sua definição de movimento de nutação.

Sob movimento de precessão e nutação o foguete pode incorrer em erro de

injeção do satélite em órbita e colisões no processo de separação do satélite do

último estágio. Daí a proposta de implantação de um sistema de controle ativo.

Este sistema de controle tem por objetivo estacionar o movimento de precessão e

reduzir sua amplitude.

Foram estudados sistemas de controle de realimentação proporcional com

atuadores proporcional ( Sistema de Controle Proporcional - SCP) e liga-desliga

(Sistema de Controle On-Off - SCOO), Bryson, 1994, através de jatos de gás frio.

Os estudos iniciaram-se com sistemas de controle com atuador proporcional, onde

foram estudadas e analisadas as estratégias de atuar em um e dois eixos. Após

as conclusões sobre o SCP foram estudadas as mesmas estratégias utilizando

atuadores on-off.

Page 28: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

25

Da estratégia de atuar em um eixo estudou-se também os efeitos de desalinhar o

eixo de atuação do eixo sensor (único) de um ângulo α (Leite Filho, 1999). Isto

mostra-se uma situação mais adequada por diminuir o número de equipamentos

utilizados no sistema de controle embarcado, o que implica em aumento de carga

útil.

A atuação dos sistemas de controle é no sistema de referência do corpo, pois

fisicamente é o sistema de referência onde os atuadores estão localizados. No

entanto as soluções das equações desse sistema de referência não informam

sobre o fenômeno do movimento de precessão, o que leva a uma transformação

de coordenadas para um sistema de referência inercial. Serão usados os ângulos

de Euler para orientação do veículo espacial no sistema de referência inercial a

partir do sistema de referência do corpo.

De modo a analisar as equações de movimento analiticamente foram feitas

algumas considerações que simplificam o sistema em estudo, tais como:

- Os momentos de inércia transversais são iguais;

- A entrada de perturbação (torque externo) será considerada em apenas um

eixo para o sistema de controle de dois eixos (como o sistema de equações é

linearizado vale o princípio da superposição), e para o sistema de controle de

um eixo será considerada entrada de perturbação em cada eixo transversal,

separadamente.

Toda simulação foi feita no programa de computador Matlab/Simulink, de onde

obteve-se os resultados mostrados no presente trabalho.

Page 29: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

26

Page 30: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

27

1.2 MOTIVAÇÕES

O problema de implantar um sistema de controle ativo de precessão passa

primeiramente pela seguinte pergunta: porque colocar um sistema de controle

ativo para controlar os efeitos causados por perturbações quando o veículo

espacial estiver estabilizado por rotação e não colocar apenas controle ativo, sem

a necessidade de estabilizá-lo por rotação?

A resposta é: a energia necessária para estabilizar um veículo espacial (por

exemplo um foguete) para prevenir de erros de trajetória com sistema de controle

ativo é muito alta e o custo da operação é dispendioso, pois o sistema de controle

ativo requer um torque elevado. Isto necessita de muita energia embarcada,

resultando num aumento de combustível no foguete para transportá-lo. Além da

complicação de implementação devido ao computador de bordo necessário.

Dessa forma tem-se um menor gasto de energia se estabilizá-lo antes por rotação

para que, sob possíveis perturbações externas, não haver um desvio de sua

trajetória, e quando dessas perturbações surgir movimento de precessão, o

sistema de controle atuará.

Já a estabilização por rotação é um sistema de controle passivo que utiliza a

energia do estágio anterior. Este tipo de estabilização oferece rigidez giroscópica

ao veículo espacial e minimiza os efeitos causados por desvio de empuxo ou

desbalanceamento dinâmico. Assim, muitos veículos espaciais são estabilizados

por indução de rotação.

Portanto, um sistema de controle com a finalidade de controlar apenas precessão

não necessita de tanta energia quanto a energia necessária para controlar

também a trajetória de um veículo espacial.

Page 31: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

28

1.3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Apesar da estabilização por rotação oferecer rigidez giroscópica a um veículo

espacial, muitos são os problemas, ou perturbações, que podem afetar a atitude

do veículo. Do conjunto de perturbações pode-se citar: - a variação de massa

(devido ao consumo de combustível, de maior relevância quando o veículo estiver

na fase propulsada) resultando em deslocamento do centro de gravidade; desvio

do vetor de empuxo resultando em torques perturbadores perpendiculares ao eixo

longitudinal; e separação de estágios. Da atuação desse conjunto de

perturbações, um dos principais fenômenos causados, o qual o presente trabalho

se preocupou em solucionar, é o fenômeno de precessão. Vários são os trabalhos

que se preocuparam com esse fenômeno. A seguir são apresentadas algumas

referências de alguns autores que estudaram o problema, diversificando-se no

enfoque de considerações e hipóteses.

Geralmente, na área da Mecânica espacial, um veículo espacial é considerado

como um corpo rígido, ou quase-rígido, sendo as equações de movimento as

equações de Euler do movimento rotacional, derivada em 1758 por Leonard Euler

(1707-1783). Essas equações formam a base para o estudo da determinação de

atitude de um veículo espacial, as quais são utilizadas em todos os textos citados

adiante.

O estudo dos efeitos de perturbação sobre um veículo espacial estabilizado por

rotação tem como um de seus pioneiros Jarmolow (1957). Ele estudou a dinâmica

de um veículo sob a ação de um torque perturbador variável, perpendicular ao

eixo longitudinal, e variação do centro de gravidade, devido ao consumo de

combustível. Ele concluiu que o movimento de precessão do veículo com torque

perturbador e momentos de inércia variáveis difere bastante do movimento com

essas propriedades constantes, e que o primeiro deve ser usado como critério de

projeto mais realístico. No presente trabalho foi usado o resultado do movimento

de precessão sob perturbações constantes obtidos pelo autor acima, e não se

preocupou com movimento sob variação de perturbação e de massa, visto que foi

preciso um sistema de estudo mais simplificado para iniciar os estudos para

Page 32: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

29

proposta de implantação de um sistema de controle no veículo. Entende-se,

entretanto, que as considerações feitas por Jarmolow é de grande importância e

deve ser, portanto, considerada numa possível implantação real do sistema de

controle.

Suddath (1960) apresenta os resultados de um estudo teórico do movimento

angular de corpos rotacionados no espaço. Seu estudo considera um veículo com

momentos de inércia constantes, movimento de rotação constante e com

pequenos deslocamentos angulares no sistema de referência inercial. Considerou-

se também torque de perturbação constante (degrau), perpendicular ao eixo

longitudinal do veículo, e observou que o movimento residual do tempo que a

perturbação inicia sua atuação até o tempo que deixa de atuar é muito sensível.

Este movimento residual significa desvio angular entre o eixo do vetor momento

angular com o eixo longitudinal do veículo (movimento de precessão considerado

no presente trabalho), e para reduzir este desvio ele apresenta a proposta de um

sistema de controle proporcional, o qual se mostra mais vantajoso para um veículo

espacial em forma de lápis do que de disco. Dois resultados mostrados por esse

autor são de grande importância para o presente trabalho: a sensibilidade no

tempo em que a perturbação constante deixa de atuar sobre o veículo e a

característica do sistema de controle proporcional ser mais vantajoso para um

veículo espacial em forma de lápis, que é o exemplo de veículo espacial utilizado

nesse estudo.

Seguindo essa linha de estudo, Martz (1963) apresenta um método para

aproximar o movimento de um veículo espacial com simetria em torno do eixo

longitudinal, estabilizado por rotação, no vácuo, com variações da rotação e da

inércia. O método consiste em dividir o problema em intervalos, durante os quais

as variáveis dependentes do tempo são assumidas como seus valores médios

durante aquele intervalo. As perturbações consideradas por ele são: variação do

desalinhamento do vetor de empuxo no tempo; desbalanceamento de massa e

amortecimento devido á variação de jato. Este método de estudo lhe permitiu

conhecer os efeitos de cada perturbação no movimento do veículo,

individualmente. Todos esses efeitos causam movimento de precessão sobre o

Page 33: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

30

veículo. A conclusão a que ele chegou foi que a amplitude de movimento de

precessão é proporcional à magnitude das perturbações nos eixos transversais

(que são considerados assimétricos) e não pode ser amenizada, quando o veículo

possuir desbalanceamento de massa, induzindo rotação sobre o veículo. Deste

autor, foi usada a definição de movimento de precessão além dos resultados

apresentados no seu trabalho.

Longuski (1984a) apresenta um estudo paramétrico do comportamento do vetor

momento angular de um veículo espacial, considerado como um corpo rígido,

durante variação da rotação, sujeito à perturbação constante. Quase paralelo a

este trabalho, ele apresenta um outro, Longuski (1984b), em que desenvolve uma

solução analítica das equações de Euler de movimento rotacional e dos ângulos

de Euler, para um veículo espacial quase simétrico, estabilizado por rotação,

sujeito à perturbação constante, considerada como desvio de jato. Sua intenção

foi aplicar as soluções de Bödewadt (referência [3] de LonguskI, 1984b), a qual só

se mostrou eficiente quando aplicada a um corpo rígido eixo-simétrico. Este

trabalho é uma continuação do seu estudo apresentado em um artigo de

congresso (referência [2] de LONGUSKI, 1984b), em que especifica a região de

validade das soluções dos ângulos de Euler. Em todos os textos citados acima

considerou-se pequenos deslocamentos dos ângulos de Euler. Estes trabalhos, e

os outros que serão citados adiante, referentes a esse autor, são resultados de

estudos do seu envolvimento no projeto do satélite Galileo (satélite dual-spin

(veículo espacial com dois corpos estabilizados por rotação, conectados entre si),

de missão interplanetária e aplicação científica, cujo destino é a atmosfera do

planeta Júpiter), lançado do Cabo Canaveral (Flórida) em 18 de outubro de 1989,

desenvolvido no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Tecnology,

Pasadena, California. LONGUSKI, 1984b). Seu objetivo foi estudar os efeitos das

perturbações atuantes sobre o veículo espacial que causam movimento de

precessão, e o autor referencia os estudos a uma aplicação real sobre um veículo

espacial, o que mostra a necessidade de preocupação do fenômeno em estudo.

Nos trabalhos citados acima, há uma grande preocupação na resolução das

equações de Euler e das equações diferenciais cinemáticas dos ângulos de Euler,

Page 34: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

31

para um corpo quase simétrico. Isso possibilita um conhecimento do

comportamento do fenômeno para condições simplificadas.

Longuski, Kia e Breckenridge (1989) apresentam um esquema para diminuir o

desvio do vetor momento angular com o eixo de rotação do veículo, quando da

atuação da perturbação advinda de desvio de jato, tanto de uma fase propulsada

quanto de indução de rotação. Obviamente o veículo deve estar rotacionado em

torno de seu eixo de maior ou menor momento de inércia, para assegurar

estabilidade. O esquema a que se refere o autor consiste em ligar e desligar os

atuadores, cuja dependência do tempo em que se deve ligar e desligar está com o

ângulo de desvio do vetor momento angular com o eixo de rotação (eixo de

simetria) do veículo. O desvio considerado pelo autor acima é considerado como

movimento de precessão no presente trabalho, de acordo com a definição de

Martz, 1963. Esse esquema apresenta a vantagem de diminuir o erro na trajetória

do veículo e orientação no sistema de referência inercial, e independe da

magnitude e orientação do torque de perturbação, necessitando apenas que este

se mantenha constante.

Meyer (1996) apresenta um estudo sobre a instabilidade do movimento de

precessão do último estágio de um foguete, com combustível sólido, estabilizado

por rotação. Segundo o autor, esta instabilidade é causada pelo consumo de

combustível no veículo, um fenômeno que já é esperado. Apesar do presente

trabalho não considerar o veículo na fase propulsada, o trabalho do autor acima é

importante por mostrar que o movimento de precessão do último estágio (o qual

inclui o satélite que será injetado em órbita) pode ser acrescido de movimento de

precessão de estágios anteriores.

Leite Filho (1999), apresenta em seu trabalho uma estratégia de compensação

mecânica, tipo de avanço de fase, defasando o plano de atuação do plano de

referência do sinal comandado. Esse avanço de fase mecânico é usado para

compensar efeitos da rotação e conseqüente acoplamento das equações

dinâmicas. Essa estratégia de defasagem do plano de atuação do plano sensor foi

Page 35: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

32

utilizada pelo presente trabalho por apresentar redução no número de atuadores e

sensores do sistema de controle embarcado.

Conforme mostrado em todos os textos das referências citadas acima, existe uma

grande preocupação quanto aos efeitos da atuação de perturbação externa sobre

um veículo espacial, estando ele rotacionado, e uma das principais é o movimento

de precessão. Assegurar que este movimento seja controlado é de suma

importância porque o último estágio de um foguete deve possuir a orientação de

atitude preestabelecida para injeção em órbita do satélite.

Page 36: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

33

1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

O trabalho está organizado em seis capítulos e mais dois apêndices, um para

descrever a matriz de transformação dos triedos utilizada e as equações

cinemáticas, e outro que apresenta os dados físicos de um veículo espacial.

Neste Capítulo foi apresentado o problema estudado, os objetivos pretendidos e

alcançados, e as motivações que lavaram a realizar esse trabalho.

No Capítulo 2 são apresentados os fundamentos teóricos que descrevem

matematicamente o movimento rotacional de um corpo rígido e a definição do

movimento de precessão quando da entrada de perturbação constante ou

impulsional.

O Capítulo 3 apresenta os sistemas de controle estudados, controle de um e dois

eixos, e os resultados obtidos, em termos de componentes de velocidade angular,

ângulos Euler, amplitude de torque de controle e amplitude de movimento de

precessão, considerando dois casos de entrada de perturbação, constante e

instantânea. Para o caso do sistema de controle de um eixo foi considerado, para

efeito de simplificação, entrada de perturbação em um e outro eixo

separadamente.

No Capítulo 4 é considerado entrada de perturbação nos dois eixos

simultaneamente, variação da rotação e os resultados obtidos.

No Capítulo 5 são consideradas as mesmas leis de controle do Capítulo 3, porém

considerando atuador on-off (liga-desliga). Apresenta-se também os resultados

obtidos.

Finalizando, no Capítulo 6 é apresentada a conclusão do trabalho, e comentários

do que se esperava e o que se obteve, além de propostas para um futuro trabalho.

Page 37: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

34

Page 38: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

35

CAPÍTULO 2

EQUAÇÕES DE MOVIMENTO

2.1 SISTEMAS DE REFERÊNCIA

Em contraste ao formalismo dinâmico, que será apresentado na seção seguinte,

existem vários modos de descrever a cinemática rotacional de um corpo rígido.

Portanto, faz-se necessário uma definição dos sistemas de referência utilizados

para descrever a cinemática de movimento do veículo. Além do mais, a lei de

controle que se propõe implantar está presa ao sistema de referência do corpo, e

o movimento de precessão, é visualizado num sistema de referência inercial (Wie,

1998, Cap. 5).

São considerados dois sistemas de referência para o estudo. O Sistema de

Referência do Corpo (SRC), no qual são implantadas as leis de controle, e o

Sistema de Referência Inercial (SRI), no qual é visualizado o movimento de

precessão. Para orientar o veículo no SRI utilizou-se dos ângulos de Euler para

transformar as equações cinemáticas de movimento do SRC para o SRI.

O sistema de referência do corpo é representado pelo triedo:

=

zyx

br

r

rr

onde as componentes xr , yr e zr , são os vetores unitários do triedo do corpo

(SRC),.

E o sistema de referência inercial pelo triedo:

=ZYX

Ir

r

r

r

Page 39: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

36

onde as componentes Xr

, Yr

e Zr

, são os vetores unitários do triedo inercial (SRI).

2.2 - MOVIMENTO ROTACIONAL DE UM CORPO RÍGIDO

Como foi dito no Capítulo 1, uma solução simples para o problema de manter uma

orientação desejada para um veículo espacial, impedindo manobras espúrias e

beneficiar a separação de estágios, é rotacionar o veículo em torno do seu eixo

longitudinal.

A equação de movimento rotacional de um corpo rígido é dada pela variação

temporal do vetor momento angular, como (Wie, 1998):

dtHdTr

r= (2.1)

onde

ω=rr

JH (2.2)

Tr

é o vetor torque externo, Hr

é o vetor momento angular, J é a matriz de inércia

(ou tensor de inércia) e ωr

é o vetor velocidade angular.

Das Equações (2.1) e (2.2) surgem as equações de Euler do movimento rotacional

de um corpo rígido, com o sistema de referência localizado no seu centro de

massa (Goldstein, 1950; Greenwood, 1965; Kaplan, 1976).

( )

( )

( ))c3.2(

JT

JJJ

)b3.2(JT

JJJ

)a3.2(JT

JJJ

z

zyx

z

yxz

y

yxz

y

xzy

x

xyz

x

yzx

+ωω−

+ωω−

+ωω−

&

&

&

onde Jx, Jy e Jz são os momentos principais de inércia, e ωx, ωy e ωz são as

componentes do vetor velocidade angular do SRC.

Page 40: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

37

Das equações de Euler do movimento rotacional considerou-se que o veículo

espacial é aproximadamente simétrico, resultando no desaparecimento de todos

os produtos de inércia, e também que o veículo não está na fase propulsada,

portanto as variações temporais dos momentos de inércia desaparecem.

Para obter as equações cinemáticas de movimento rotacional como visto a partir

do SRI, utiliza-se uma matriz de transformação, obtida de um conjunto de rotações

do SRC, usando os ângulos de Euler. Esta matriz de transformação e as

equações cinemáticas são apresentadas no Apêndice A.

A seguir, serão apresentadas as definições de movimento de precessão de um

veículo espacial, estabilizado por rotação, na ausência de torque externo e do

movimento sujeito a um torque externo, fixo, preso ao corpo girante, em um dos

eixos principais do corpo.

2.2.1- MOVIMENTO DE UM CORPO RÍGIDO EIXO-SIMÉTRICO LIVRE DE TORQUE EXTERNO

Muitos dos veículos espaciais estabilizados por rotação são aproximadamente

simétricos e a rotação é induzida em torno de um de seus momentos principais de

inércia. O termo “movimento livre de torque”, comumente empregado em dinâmica

de atitude de veículos espaciais, se refere ao movimento rotacional de um corpo

rígido na ausência de torque externo.

Considere um corpo rígido eixo-simétrico com o sistema de referência fixo no

corpo b, com sua origem no centro de massa, como ilustrado na

Figura (2.1). O sistema de referência b, coincide com o conjunto de eixos

principais e o eixo xr é o eixo de simetria.

Page 41: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

38

FIGURA 2.1 - Movimento de um corpo rígido, eixo-simétrico, na ausência de torque externo.

Considerando o movimento rotacional do veículo espacial livre de torque externo,

ou seja, Tx = Ty = Tz = 0, e devido a simetria JJJ zy == , as equações de Euler,

Equações. (3), se tornam:

( )

( ))c4.2(

JJJ

)b4.2(JJJ

)a4.2(0

yxx

z

zxx

y

x

ωω−

−=ω

ωω−

&

&

&

onde ω=ωrr

.bii são as componentes de velocidade angular, com { }z,y,xi = .

Da equação (2.4a) tem-se:

( )5.2nx =ω

onde a constante n é a rotação do veículo espacial, em torno do eixo de maior ou

menor momento de inércia, resultado da estabilização por rotação (comumente

conhecida na língua inglesa por spin). No caso do veículo considerado nesse

trabalho a rotação é induzida em torno do eixo de menor momento de inércia que

é o eixo de simetria. A Figura (2.2) (Guilherme, 2000) ilustra os eixos principais do

veículo e o eixo de rotação.

Page 42: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

39

FIGURA 2.2 - Eixos principais do SRC e a rotação induzida em torno do eixo de simetria (eixo x).

Definindo a velocidade de rotação relativa como:

( )6.2nJJJ x

−=λ

pode-se rescrever as Equações (2.4b) e (2.4c) como:

)b7.2(0

)a7.2(0

yz

zy

=λω+ω

=λω−ω

&

&

As soluções das Equações (2.7a) e (2.7b) considerando uma das condições

iniciais diferente de zero, ou seja, ( ) ( ) 00e00 zy =ω≠ω , são:

( ) ( )( ) ( ) )b8.2(tsen0t

)a8.2(tcos0t

yz

yy

λω−=ω

λω=ω

Para descrever o movimento do veículo espacial estabilizado por rotação como

visto a partir do SRI, considere a seqüência de rotação 321,

( ) ( ) ( )φ→θ→ψ 123 CCC (Kaplan, 1976). A Figura (2.1) mostra a orientação entre os

dois triedos. Para esta seqüência de rotação tem-se as seguintes equações

diferenciais cinemáticas (o desenvolvimento da rotação entre os triedos se

encontra no apêndice A):

Page 43: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

40

( ) ( )( ) ( )( ) ( )c9.2tancossen

b9.2sencos

a9.2cos/cossen

xzy

zy

zy

ω+θφω+φω=φ

φω−φω=θ

θφω+φω=ψ

&

&

&

Existem algumas considerações e hipóteses que simplificam as Equações (2.9) e

lhes permitem soluções analíticas. Para pequenos valores de θ tem-se tgθ ≈ θ e

cosθ = 1. Assim, as Equações (2.9) se tornam:

( )( )( )c10.2

b10.2sencos

a10.2cossen

x

zy

zy

ω+θψ=φ

φω−φω=θ

φω+φω=ψ

&&

&

&

Assumindo xω⟨⟨θψ& , φ& pode ser aproximado como:

constnx ==ω≈φ&

e

nt=φ

Assim, Equações (2.10a) e (2.10b) se tornam:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )b11.2ntsenntcos

a11.2ntcosntsen

zy

zy

ω−ω=θ

ω+ω=ψ&

&

Introduzindo as soluções das componentes de velocidade angular do SRC,

Equações (2.8) nas Equações (2.11) obtém-se as seguintes equações diferenciais

dos ângulos de Euler,

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )b12.2ntsentsen0ntcostcos0

a12.2ntcostsen0ntcostsen0

yy

yy

λω+λω=θ

λω−λω=ψ&

&

As soluções das equações diferenciais, Equações (2.12), com as condições

iniciais ( ) ( ) 000 =θ=ψ , são

Page 44: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

41

( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )b13.2tnsenn

0t

a13.2tncos1n

0t

y

y

λ−λ−

ω=θ

λ−−λ−

ω=ψ

O Gráfico do ângulo θ versus o ângulo ψ mostra o movimento de precessão do

veículo, que é o movimento em forma de um cone, com seu vértice no centro de

massa do veículo, do eixo longitudinal do veículo em torno do vetor momento

angular, que está alinhado com o vetor unitário Xr

do SRI. Este movimento está

representado na ilustração da Figura (2.3).

Figura 2.3 - Ilustração do movimento de precessão de um veículo espacial na ausência de torque externo.

As soluções das Equações (2.8) e (2.9), sem simplificações, são feitas no

programa de computador Matlab/Simulink. Assim, obtém-se os gráficos de

componentes de velocidade angular, dos ângulos de Euler ( θψ e ) e do

movimento de precessão como apresentado nas Figuras (2.4), (2.5) e (2.6),

respectivamente. Os parâmetros do veículo estão na Tabela 2.1.

Page 45: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

42

TABELA 2.1 – Parâmetros para simulação da perturbação instantânea.

x y z

Momentos Principais de Inércia (kg.m2) 360,94 34641 34641

Condições iniciais de Velocidades angulares do

sistema do corpo (rad/s)

12,56 0,0106* 0

Condições iniciais dos ângulos de Euler (rad) 0 0 0*Esta condição inicial de velocidade angular vem da razão de torque de perturbação de367,50 N.m pelo momento de inércia Jy e equivale a 0.61°/s. Fonte: Ferri, J. F. Banco de dados dosistema de controle do veículo Sonda IV – PT. 03.

FIGURA 2.4 - Componentes de velocidade angular y e z (SRC) do movimento rotacional de um corpo rígido na ausência de torque externo.

Page 46: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

43

FIGURA 2.5 - Ângulos de Euler (Psi e Theta).

FIGURA 2.6 - Movimento de Precessão regular, de um corpo rígido, na ausência de torque externo.

A Figura (2.6) apresenta uma amplitude de movimento de precessão de

0,0809 rad ou 4,64°, causado por uma entrada de perturbação impulsional, que é

considerada como condição inicial de componente de velocidade angular do

sistema de referência do corpo.

Page 47: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

44

2.2.2 MOVIMENTO DE UM CORPO RÍGIDO EIXO-SIMÉTRICO, SUJEITO A UM TORQUE

EXTERNO CONSTANTE

Nessa seção é considerada a atuação de torque externo sobre o veículo espacial

devido a desalinhamento do vetor de empuxo com o eixo longitudinal do veículo

e/ou desbalanceamento dinâmico, que estão presos ao corpo girante, portanto no

SRC. Prevalecem todas as considerações sobre estabilização, simetria e

momentos de inércia do veículo, apresentadas na seção (2.2.1).

Devido a ação do torque externo sobre o veículo as equações de Euler de

movimento rotacional são:

( ))b14.2()a14.2(tu

yz

yzy

λω−=ω

+λω=ω

&

&

onde J

Tu y

y = , Ty é a componente y de torque, transversal ao eixo longitudinal,

devido ao desalinhamento do vetor de empuxo, e uy é portanto a aceleração de

perturbação, que é constante (Wie, 1998).

As soluções das equações diferenciais acopladas, Equações (2.14), são:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) )b15.2(tcos1u

tsen0tcos0

)a15.2(tsenu

tsen0tcos0t

yyzz

yzyy

λ−λ

−λω−λω=ω

λλ

+λω+λω=ω

Para o caso em que ( ) ( ) 000 zy =ω=ω , o sistema não apresenta resposta natural,

apresentando apenas resposta à perturbação persistente. Assim, as Equações

(2.15) se tornam:

( )

( ) )b16.2(tcos1u

)a16.2(tsenu

t

yz

yy

λ−λ

−=ω

λλ

Page 48: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

45

Para descrever o movimento rotacional do veículo espacial como visto a partir de

um sistema de referência inercial, considera-se a mesma seqüência de rotações

da seção (2.2.1), ( ) ( ) ( )φ→θ→ψ 123 CCC . As equações diferenciais cinemáticas

são então as mesmas. Introduzindo a Equações (2.16) nas Equações (2.11)

obtém-se:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )b17.2ntsentcos1u

ntcostsenu

a17.2ntcostcos1u

ntsentsenu

yy

yy

λ−λ

+λλ

λ−λ

−λλ

&

&

As soluções das equações diferenciais, Equações (2.17), com as condições

iniciais ( ) ( ) 000 =θ=ψ , são:

( ) tsenAtsenAt nnpp ω−ω=ψ (2.18a)

( ) ( )x

xynnpp nJ

JnJutcosAtsinAt

λ+

+ω−ω−=θ (2.18b)

onde,

( ) alprecessionamplitudenu

A yp =

λ−λ= (2.19)

nutacionalamplituden

uA y

n =λ

= (2.20)

alprecessionfrequênciaJnJ x

p ==ω (2.21)

nutacionalfrequênciann ==ω (2.22)

Novamente, o gráfico do ângulo θ versus o ângulo ψ mostra o movimento de

precessão do veículo espacial. A trajetória do eixo longitudinal do veículo em torno

do eixo do vetor momento angular é um epiciclóide formado por um ponto num

Page 49: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

46

círculo de raio An rolando no exterior de um círculo de raio Ap, centrado em

pA−=ψ e 0=θ , como ilustra a Figura (2.7).

FIGURA 2.7 - Ilustração do movimento de precessão de um veículo espacial com torque externo preso ao corpo girante.

Este movimento em epiciclóide apresentado na Figura (2.7) é chamado de

movimento de nutação.

As soluções das Equações (2.14), de velocidade angular, e das Equações (2.9),

equações diferenciais cinemáticas de ângulos de Euler, sem simplificações, são

feitas no programa de computador Matlab/Simulink. Assim, obtém-se os gráficos

de componentes de velocidade angular, dos ângulos de Euler ( θψ e ) e do

movimento de precessão como apresentado nas Figuras. (2.8), (2.9) e (2.10),

respectivamente. Os parâmetros do veículo estão na Tabela 2.2.

TABELA 2.2 - Parâmetros para simulação da perturbação constante.

x y z

Momentos Principais de Inércia (kg.m2) 360,94 34641 34641

Condições iniciais de Velocidades angulares do

sistema do corpo (rad/s)

12,56 0 0

Condições iniciais dos ângulos de Euler (rad) 0 0 0

Torque externo (N.m) 0 367,50 0

Fonte: Ferri, J. F. Banco de dados do sistema de controle do veículo Sonda IV – PT. 03.

Page 50: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

47

FIGURA 2.8 - Componentes de velocidade angular y e z (SRC) do movimento rotacional de um corpo rígido com torque externo constante.

FIGURA 2.9 - Movimento dos ângulos de Euler, Psi e Theta, com atuação de torque externo.

Page 51: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

48

FIGURA 2.10 - Gráfico de Psi vs Theta. Movimento de precessão provocado por perturbação persistente, torque externo constante.

De acordo com a Equação (2.19) e o gráfico da Figura (2.10), o veículo espacial

apresenta um movimento de precessão com amplitude Ap = 0,0065 rad ou

Ap = 0,37°, devido a atuação de um torque externo preso ao corpo girante.

Page 52: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

49

CAPÍTULO 3

SISTEMAS DE CONTROLE

3.1 LEI DE CONTROLE

Os elementos lógicos de controle são projetados para agir a um sinal de erro a fim

de produzir um sinal de comando de controle. O algoritmo que é fisicamente

implementado para este propósito é denominado lei de controle ou ação de

controle. A figura abaixo representa um esquema de sistema de controle por

diagrama de blocos.

Diagrama de blocos de sistemas de controle. r(t) é a entrada de referência e y(t) a

saída.

Um sinal de erro, ( ) ( ) ( )tytrte −= , resulta em uma mudança no comando

(atuadores), enviado pelo controlador, que atua sobre a planta. A leis de controle

utilizadas nesse trabalho são a lei de controle proporcional e a ação de controle

liga-desliga (comumente conhecido na língua inglesa como on-off). O que se

pretende com estes controladores é levar o erro a zero ou a um valor satisfatório.

Os atuadores considerados são jatos de gás frio.

3.2 CONTROLADORES

As leis de controle clássicas, proporcional + derivativo (PD) e proporcional +

integral + derivativo (PID), não foram estudadas nesse trabalho pelos seguintes

motivos.

Page 53: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

50

A lei de controle proporcional + derivativo (PD), porque o tempo de transitório é

arbitrado e serve como parâmetro constante para todos os sistemas de controle

estudados. Portanto, não é o objetivo minimizá-lo.

A lei de controle proporcional + integral + derivativo (PID), pelo mesmo motivo do

parágrafo anterior e porque o sistema de controle não é de realimentação de

ângulos. Portanto, não é o objetivo conduzi-los a zero. No entanto, já com o

controle puramente proporcional as velocidades angulares atingem um estado

estacionário bem próximo de zero.

Page 54: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

51

3.3 SISTEMAS DE CONTROLE PROPORCIONAL COM ATUADOR PROPORCIONAL

Com o objetivo de implantar um sistema de controle ativo de precessão num

veículo espacial, foram estudadas algumas estratégias (controladores) para

procurar aquela que apresentasse a melhor performance, a partir das

especificações sobre o sistema de controle, em termos de amplitude de pico de

torque de controle e amplitude de movimento de precessão, e uma possível

redução de dispositivos do sistema de controle, tais como atuadores e sensores.

Isto tudo pode implicar numa redução de massa, o que diminui o custo de uma

missão espacial ou pode ser convertido em carga útil.

Apesar de leis de controle proporcionais, com atuadores proporcionais, não serem

utilizadas com freqüência, seus estudos são de grande importância para obter-se

informações sobre a performance da atuação do sistema de controle, servindo

como ponto de partida para posteriores estudos de sistemas de controle mais

usuais, mas de difícil solução analítica.

Os estudos que fazem parte dessa seção iniciaram-se com a atuação da lei de

controle em dois eixos, referente às direções dos dois eixos transversais y e z (o

eixo x é o eixo longitudinal do veículo, sobre o qual é induzida uma rotação com

velocidade constante, como mostrado na Figura (2.2) do sistema de referência do

corpo, o que implica em realimentar as duas componentes transversais de

velocidade angular. Para essa lei de controle considerou-se entrada de

perturbação em apenas um eixo, na direção do eixo y. Como o sistema é linear e

simétrico vale o princípio da superposição para considerar entrada de perturbação

nos dois eixos simultaneamente.

Com as prerrogativas do início do texto, um caso mais elaborado foi proposto.

Este caso implica em atuar em apenas um eixo, realimentação de apenas uma

componente de velocidade angular, na direção do eixo y. A importância dessa

estratégia é reduzir o número de atuadores utilizado pelo sistema de controle

embarcado. Novamente foi estudado o caso de perturbação em apenas um eixo,

Page 55: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

52

porém considerando a entrada de perturbação para cada eixo separadamente.

Para todos os casos citados acima foram estudados os efeitos referentes a duas

entradas de perturbação, impulsional e degrau, no sistema de referência do corpo.

Estes dois tipos de perturbação considerados exemplificam bem as possíveis

perturbações que podem ocorrer durante o vôo de um veículo espacial.

Os tipos de perturbações impulsional que podem ocorrer são perturbações devido

à condição inicial de velocidade angular e separação de estágios, que são de

natureza instantânea. Os tipos de perturbações degrau são perturbações devido a

desvio de jato, desbalanceamento dinâmico, que estão presas ao corpo do veículo

e podem ser consideradas constantes durante um certo intervalo de tempo.

Uma lei de controle adequada deve garantir estabilidade e precisão em estado

estacionário, e atender às especificações de transitório de um projeto de sistema

de controle. Além disso, em projetos de missões espaciais, a quantidade de

energia gasta num sistema de controle é de grande importância. Sendo assim,

faz-se necessário uma análise sobre o torque mínimo de controle para o sistema,

para uma dada entrada de perturbação.

Adiante são mostrados três itens de relevância para o estudo.

1) Estabilidade: após a atuação do sistema de controle o veículo espacial tem

que se manter numa posição preestabelecida (atitude preestabelecida).

2) Tempo de Assentamento: tempo requerido para o sistema de controle

conduzir o movimento de precessão a um estado estacionário. O presente

trabalho arbitrou um tempo de assentamento de 5s.

3) Torque Mínimo de Controle: valor mínimo para o sistema de controle

conduzir o veículo espacial a uma atitude desejável, mantidas as especificações

Page 56: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

53

citadas nos itens acima, considerando perturbações externas fixas no corpo ou

não.

Os estudos analíticos foram feitos a partir das equações de Euler de movimento

rotacional, do sistema de referência do corpo, apresentadas no Capítulo 2, às

quais são aplicadas as leis de controle, e para visualização do movimento de

precessão, no sistema de referência inercial, utilizou-se dos ângulos de Euler.

3.3.1 REALIMENTAÇÃO NAS DUAS COMPONENTES DE VELOCIDADE ANGULAR

Nessa seção é considerado o caso em que as duas componentes de velocidade

angular foram realimentadas, implicando em atuação em dois eixos.

As leis de controle foram testadas por duas funções de teste usuais, impulsional e

degrau, e os pontos relevantes para o estudo são aqueles citados na seção (3.3).

Para essa lei de controle considerou-se o caso de perturbação em apenas um eixo

pois, como o sistema é linear e simétrico, vale o princípio da superposição para

considerar entrada de perturbação nos dois eixos simultaneamente. Na subseção

a seguir é apresentado o estudo para o caso de entrada de perturbação em

apenas um eixo.

3.3.1.1 PERTURBAÇÃO EM APENAS UM EIXO (Y)

A implantação de uma lei de controle de realimentação proporcional às

componentes de velocidade angular (y e z), do sistema de referência do corpo,

com controladores nas duas componentes, é como mostram as Equações (3.1) e

(3.2):

( ) ( )( )b1.3k

a1.3tuk

zzyz

yyyzy

ω−λω−=ω

+ω−λω=ω

&

&

onde ( )tu y é a entrada de perturbação na direção do eixo y, ky e kz são os ganhos

de realimentação de cada componente.

Page 57: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

54

As equações de comando de controle do sistema, ou controladores, são:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )b2.3tktC

a2.3tktC

zzz

yyy

ω−=

ω−=

A Figura (3.1) mostra o diagrama de blocos do sistema de controle.

FIGURA 3.1 - Diagrama de blocos do sistema de controle com dois controladores e entrada de perturbação em apenas um eixo (y).

As Equações (3.1) e (3.2) levam às seguintes funções de transferência,

( )( )

( ) ( )b3.3kks)kk(s)s(u

s

a3.3kks)kk(s

ks)s(u

s

2zyzy

2y

z

2zyzy

2z

y

y

λ++++λ

−=ω

λ+++++

A seguir apresenta-se a análise do sistema de controle quanto a estabilidade,

controlabilidade, tempo de assentamento e torque de controle.

ESTABILIDADE

Das funções de transferência, Equações (3.3), tem-se que suas equações

características são iguais (devido ao acoplamento entre as equações de Euler) a

( ) ( ) ( )4.3kkskkss 2zyzy

2 λ++++=∆

Page 58: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

55

De acordo com o critério de estabilidade de Routh e a Equação (3.4), estará

garantida a estabilidade do veículo quando da atuação do sistema de controle, se:

ky + kz > 0 (3.5a)

ky kz + λ2 > 0 (3.5b)

CONTROLABILIDADE

Além da análise de estabilidade do sistema é necessário verificar a

controlabilidade dos estados realimentados. Será analisado, primeiramente, o

caso mais geral de entrada de perturbação nos dois eixos e depois o caso de

entrada de perturbação em um eixo. Para isso, as equações onde estão as leis de

controle, Eqs. (3.1), serão colocadas na forma de espaço de estados.

( )6.3u11

kk

z

y

z

y

z

y

+

ωω

−λ−λ−

=

ωω&

&

A matriz de controlabilidade é:

( )7.3k1

k1C

z

y2

−λ−

λ+−=

2C quer dizer matriz de controlabilidade para o sistema de controle com

perturbação em dois eixos.

Para que o determinante da matriz C seja diferente de zero é necessário a

seguinte condição:

( )8.32kk zy λ≠−

Dos valores para os ganhos obtidos e mostrados adiante, essa condição é

facilmente assegurada. Sendo satisfeita portanto a condição expressa em (3.8), a

Page 59: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

56

matriz 2C é de posto 2, o que implica que o sistema é completamente controlável

pelo estado.

Considerando o caso de perturbação em apenas um eixo, que é o caso analisado

nessa seção, a matriz de controlabilidade fica:

( )9.30

k1C y

1

λ−

−=

1C quer dizer matriz de controlabilidade para o sistema de controle com

perturbação em apenas um eixo.

Como pode-se observar, a matriz 1C é de posto 2 o que implica também que o

sistema de controle com entrada de perturbação em apenas um eixo é

completamente controlável pelo estado.

TEMPO DE ASSENTAMENTO

O critério usado para o tempo de assentamento será o de 2%. Assim, de acordo

com as Equações (3.3) a equação para o tempo de assentamento do sistema de

controle é:

( )10.3kk

8tzy

s +=

TORQUE MÍNIMO DE CONTROLE

Como citado anteriormente, é de grande importância a análise do torque mínimo

de controle necessário para solucionar o problema, porque isso envolve gasto de

energia.

Segue então, adiante, um estudo para encontrar valores ótimos para os ganhos ky

e kz que correspondam a um mínimo na amplitude de torque de controle,

considerando as duas entradas de teste de perturbação, e um mesmo tempo de

assentamento para ambas.

Page 60: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

57

As transformadas de Laplace das equações de comando, Equações (3.2) são:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )b11.3sksC

a11.3sksC

zzz

yyy

ω−=

ω−=

Introduzindo as transformadas de Laplace das componentes de velocidade

angular, Equações (3.5), nas Equações (3.11), obtém-se:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )b12.3su)kks)kk(s(

ksC

a12.3su)kks)kk(s(

ksksC

y2zyzy

2z

z

y2zyzy

2zy

y

λ++++λ

=

λ++++

+−=

Para analisar a equação do comando de controle considera-se duas entradas de

teste de perturbação usuais, impulsional e degrau.

1) ENTRADA IMPULSIONAL

Para entrada impulsional uy = B (esta entrada de perturbação é como condição

inicial de componente transversal de velocidade angular), as equações de

comando de controle, Equações (3.12), se tornam:

( ) ( )

( ) ( )b13.3)kks)kk(s(

BksC

a13.3)kks)kk(s(

)ks(BksC

2zyzy

2z

z

2zyzy

2zy

y

λ++++λ

=

λ++++

+−=

O valor temporal da equação de comando atuando na direção do eixo y, Equação

(3.13a) é:

( ) ( ) ( )14.3tcoseAtC d

t2

kk

yy

zy

ϕ+ω=+

onde 2

)kk(4 2zy

2

d

−−λ=ω ,

Page 61: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

58

d

yy

BkA

ωλ−

= onde B é uma constante relacionada à amplitude da entrada de

perturbação (apêndice B), e

−−=

d

yz kkω

ϕ2

arctan

O valor temporal da equação de comando atuando na direção do eixo z,

Equação (3.13b) é:

( ) ( ) ( )15.3tseneAtC d

t2

kk

zz

zy

ω=+

onde B e dω são os mesmos parâmetros da Equação (3.14) e

d

zz

BkAωλ

=

Deseja-se saber qual valor de ky e kz implica em um torque mínimo de comando

para o sistema de controle. Para encontrar estes valores analisa-se os valores

absolutos das amplitudes das componentes de comando de controle, como

( ) ( ) ( ) ( )16.3tCtCtC zy +=

onde Cy(t) e Cz(t) são os valores temporais de cada equação de controle,

Equações (3.14) e (3.15).

A razão de analisar os valores absolutos das equações de controle é que, como

suas soluções são funções senoidais e co-senoidais, no decorrer do tempo obtém-

se da soma de cada equação de controle valores negativos ou zero, quando as

equações apresentarem amplitudes de sinais contrários.

Para essa lei de controle um mínimo para o torque de controle total ocorre para

um mínimo da soma absoluta da amplitude de cada equação de torque de

controle. Assim, tem-se:

Page 62: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

59

( )17.3AAA zy +=

ou seja,

( )18.3BkBk

Ad

z

d

y

ωλ

λ−=

Arbitrando um tempo de assentamento de 5s a Equação (3.10) se torna,

( )19.3k6,1k yz −=

Ao introduzir-se a Equação (3.19) na Equação (3.18) obtém-se uma equação para

amplitude total de controle em função apenas do ganho ky . A Figura (3.2) mostra

o gráfico da variação da amplitude com o ganho ky, de acordo com a Equação

(3.18). (Os parâmetros para o veículo são os da Tabela 1 do Apêndice B).

FIGURA 3.2 - Soma dos valores absolutos das amplitudes das equações de controle para 0 < ky < 1,6.

Como pode ser observado no gráfico da Figura (3.2) os valores dos ganhos ky e kz

que implicam em um mínimo para a equação de controle são

.80k e0.8 k zy ==

O que já era esperado devido à simetria do sistema.

Page 63: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

60

A seguir são apresentados gráficos de simulações usando os valores encontrados

para ganhos, como mostrado acima.

As Figuras (3.5) e (3.8), (3.6) e (3.9) apresentam os gráficos dos ângulos de Euler

e do movimento de precessão, respectivamente. Esses gráficos vêm da solução

das Equações (2.9), nas quais foram introduzidas as Equações (3.1). Foram

simuladas duas situações para atuação do sistema de controle sobre o veículo,

como representado na Figura (3.3). A Figura (3.3a) mostra que o controle atua 5s

após a entrada da perturbação, que é a situação para as Figuras (3.4), (3.5) e

(3.6), e a Figura (3.3b) que o controle atua simultaneamente à entrada da

perturbação, que é a situação para as Figuras (3.7), (3.8) e (3.9). As simulações

foram feitas no programa de computador Matlab/Simulink.

FIGURA 3.3 - Tempo de atuação do sistema de controle e perturbação, para o caso impulsional.

Page 64: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

61

FIGURA 3.4 - Gráfico da Eq. (3.16), referente à soma absoluta dos torques de controle nos dois eixos de atuação. Pico máximo de torque de 406.60 N.m. (Controle atua 5s após a perturbação)

FIGURA 3.5 - Ângulos de Euler ψ e θ.

Page 65: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

62

FIGURA 3.6 - Movimento de Precessão estacionado 5s após a atuação do sistema de controle. Amplitude de 3.66º.

FIGURA 3.7 - Gráfico da Eq. (3.16), referente à soma absoluta dos torques de controle nos dois eixos de atuação. Pico máximo de torque de 396.10 N.m. (Controle atua simultaneamente à perturbação)

Page 66: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

63

FIGURA 3.8 - Ângulos de Euler ψ e θ.

FIGURA 3.9 - Movimento de precessão estacionado 5s após a atuação do sistema de controle. Amplitude de 0.75°.

As componentes de velocidade angular y e z são conduzidas à origem pelo

sistema de controle, o que era de se esperar de acordo com uma lei de

controle utilizada. As Figuras (3.10) e (3.11) mostram os seus comportamentos,

com o sistema de controle atuando de acordo com a Figura (3.3).

Page 67: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

64

FIGURA 3.10 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação.

FIGURA 3.11 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando simultaneamente à entrada de perturbação.

Das duas situações de atuação do sistema de controle ambas estacionam o

movimento de precessão após 5s de sua atuação, como pode ser observado nas

Figuras (3.6) e (3.9), sendo o que era esperado, estando de acordo com o tempo

de assentamento arbitrado. No entanto, a situação onde o sistema de controle

atua simultaneamente à entrada de perturbação, de acordo com a Figura (3.3b),

apresenta um melhor resultado quanto à amplitude de torque de controle, com a

Page 68: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

65

diferença no pico máximo de amplitude de torque de aproximadamente 10.50 N.m(comparação entre os picos de amplitude das Figuras (3.4) e (3.7)), e de amplitude

de movimento de precessão, diferença de aproximadamente 2.91º (comparação

entre as amplitudes de movimento de precessão das Figuras (3.6) e (3.9)).

Portanto, o sistema de controle deve atuar simultaneamente à entrada de

perturbação para que se obtenha uma melhor desempenho de sua atuação.

O ideal seria que os ângulos de Euler retornassem a zero e consequentemente o

movimento de precessão também. No entanto, de acordo com os parâmetros

preestabelecidos, estacionar o movimento de precessão, com amplitude de 0.75º,já pode ser considerado como um bom resultado, pois para muitas missões

espaciais um limite em torno de 1º é uma boa margem de segurança. Além do

mais, sem atuação do controle o veículo espacial atingia uma amplitude de

movimento de precessão de 4,58°, que foi consideravelmente reduzido com a

atuação do controle, como pode ser observado comparando a Figura (2.6) com a

Figura (3.9).

O tempo de simulação foi de 25s e de atuação do sistema de controle de 15s. No

entanto, o veículo se mantém na posição de estado estacionário e não instabiliza

quando o sistema de controle é desligado.

2) ENTRADA DEGRAU

Para entrada de perturbação como função degrau sBu y = , as equações de

controle, Equações (3.13), são

( )( )

( )

( ) ( )b20.3)kks)kk(s(s

BksC

a20.3)kks)kk(s(s

ksBksC

2zyzy

2z

z

2zyzy

2zy

y

λ++++λ

=

λ++++

+−=

O valor temporal da equação de controle, atuando na direção do eixo y,

Equação (3.20a) é

Page 69: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

66

( ) ( ) ( )21.3kk

kBktseneAtC 2

zy

zyd

t2

kk

yy

zy

λ+−ϕ+ω=

+−

2

)kk(4 2zy

2

d

−−λ=ω ,

2zyd

yy

kk

kBA

λ+ω

λ= onde B é uma constante de perturbação, e

−λ+ω−

=ϕ 2z

2zy

dz

k2kkk2arctan

O valor temporal da equação de comando atuando na direção do eixo z,

Equação (3.20b) é

( ) ( ) ( )22.3kk

kBtseneAtC 2

zy

zd

t2

kk

zz

zy

λ+λ

+ϕ+ω=+

onde B e dω são os mesmos parâmetros da Equação (3.21) e

2λω

λ

+

−=

zyd

zz

kk

kBA

=ϕzy

d

kk2arctan

Fisicamente é esperado que o torque de controle para controlar o veículo quando

da entrada de perturbação impulsional seja maior que o torque de controle quando

da entrada de perturbação degrau pois, como esta está presa ao corpo girante,

algum tempo depois a própria perturbação se opõe a seu efeito, sendo esse

justamente o chamado efeito giroscópico. De acordo com as simulações este

Page 70: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

67

resultado esperado realmente acontece e pode ser explicado a partir de uma

análise matemática como mostrada adiante.

Como prova dessa afirmação foi feita uma análise a partir das amplitudes das

equações de controle para cada caso de entrada de perturbação, lembrando

sempre que o interesse é o valor absoluto dos torques obtidos das equações de

controle. A análise é feita comparando apenas as amplitudes das equações de

controle para cada entrada de perturbação. Esta consideração é válida pois, da

condição de estabilidade expressa na Equação (3.5a) e de acordo com os valores

para os ganhos ky e kz encontrados na subseção anterior (deve-se usar os

mesmos valores para os ganhos para comparar a atuação do sistema de controle

considerando diferentes tipos de perturbação), sendo sua soma maior que um

devido ao tempo de assentamento arbitrado, a parte exponencial das equações de

componentes de controle faz com que a amplitude de cada componente seja

sempre menor que o valor inicial (se assim não fosse o sistema de controle levaria

o veículo à instabilidade), e os valores das senóides e co-senóides (esses termos

para qualquer componente de amplitude só diferem em fase) assumem no

máximo valor um. Sendo assim mostra-se que:

- De acordo com a Equação (3.18) a soma das amplitudes das equações de

componente de controle para o caso da perturbação impulsional é como

( )23.3BkBk

Cd

z

d

yI ω

λ+

ω

λ−=

Da mesma forma, a soma das amplitudes de cada componente de torque de

controle, de acordo com as Equações (3.21) e (3.22), para o caso da perturbação

degrau é dada por:

( )24.3kk

kB

kk

kBkk

kBk

kk

kBC 2

zy

z

2zyd

z2

zy

zy

2zyd

yD λ+

λ+

λ+ω

λ−+

λ+−

λ+ω

λ−=

Reestruturando as Equações (3.23) e (3.24), obtém-se:

Page 71: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

68

( )( )

( )( ) ( )25.3

kkkkk

kkkkk

BC 2zyd

2zyz

2zyd

2zyy

I λ+ω

λ++

λ+ω

λ+−λ=

e

( )( )

( )( ) ( )26.3

kk

kkk

kk

kkkkBC 2

zyd

2zydz

2zyd

dz2

zyyD λ+ω

λ+−ω+

λ+ω

λω+λ+−λ=

Como os denominadores das Equações (3.25) e (3.26) são iguais, comparando

seus numeradores constata-se que a soma dos numeradores da Equação (3.25) é

maior do que a soma dos numeradores da Equação (3.26). Dessa forma, mostra-

se que a amplitude da equação de controle para entrada de perturbação

impulsional é maior do que a amplitude para entrada de perturbação degrau.

A seguir são apresentados gráficos de simulações usando os mesmos valores

para os ganhos da seção anterior.

Foram simuladas duas situações para atuação do sistema de controle como

representado na Figura (3.12). A Fig. (3.12a) mostra que o controle atua 3s após a

entrada de perturbação, que é a situação para as Figuras (3.13), (3.14) e (3.15), e

a Figura (3.12b) que o controle atua 2s antes da entrada de perturbação, que é a

situação para as Figuras (3.16), (3.17) e (3.18). As Figuras (3.14) e (3.17)

apresentam o comportamento dos ângulos de Euler, as Figuras (3.15) e (3.18) o

movimento de precessão, para cada situação de atuação do sistema de controle,

e as Figuras (3.13) e (3.16) a amplitude de torque de controle. As Figuras (3.19) e

(3.20) apresentam o movimento das componentes de velocidade angular, y e z, do

SRC, com o sistema de controle atuando de acordo com a Figura (3.13).

Page 72: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

69

FIGURA 3.12 - Tempo de atuação do sistema de controle para perturbação degrau.

FIGURA 3.13 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atua 3s após aentrada de perturbação). Pico máximo de torque de controle de53.70 N.m.

Page 73: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

70

FIGURA 3.14 - Ângulos de Euler

FIGURA 3.15 - Movimento de Precessão com atuação do sistema de controle depois da atuação da perturbação. Amplitude de 0.15°.

Page 74: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

71

FIGURA 3.16 - Torque de controle para entrada degrau. (Controle atuasimultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque decontrole de 53.70 N.m.

FIGURA 3.17 - Ângulos de Euler.

Page 75: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

72

FIGURA 3.18 - Movimento de precessão com atuação do controle simultâneo à entrada de perturbação.

FIGURA 3.19 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando 3s após a entrada de perturbação.

Page 76: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

73

FIGURA 3.20 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle simultaneamente à entrada de perturbação.

Na Figura (3.15) o local indicado por 1 é onde o sistema de controle começa a

atuar, 2 onde a perturbação deixou de atuar (com o sistema de controle

continuando a atuar até os 15s de simulação) e 3 onde o controle deixou de atuar.

A partir dessa posição pode ser observado que o eixo longitudinal do veículo

continua com um movimento em círculo, lento (de 15s a 100s), com amplitude da

ordem de 10-5 rad (ou 0,0006°), retornando à posição indicada pelo número 3.

Este movimento é devido às oscilações dos ângulos de Euler que ainda persistem

em estado estacionário, como pode ser observado na Figura (3.14). Contudo,

dependendo da atitude desejada para o veículo espacial isto pode não ser um

problema, já que sua amplitude é bastante pequena. A máxima excursão em

ângulo do eixo longitudinal com o eixo do vetor momento angular, ou seja, a

amplitude de movimento de precessão é de 0,0026 rad (ou 0.15°).

Na Figura (3.18), em que o sistema de controle atua simultaneamente à entrada

de perturbação, o local indicado por 1 é onde a perturbação deixou de atuar (com

o sistema de controle continuando a atuar até os 15s de simulação) e 2 onde o

sistema de controle deixa de atuar. Novamente, pelos mesmos motivos do caso

anterior, o veículo faz um movimento em círculo, lento, do seu eixo longitudinal,

Page 77: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

74

com amplitude da ordem de 10-4 rad ( ou 0.006°), de 15s até 100s. A máxima

excursão em ângulo do eixo longitudinal com o eixo do vetor momento angular é

um valor bem próximo de zero sendo o valor do movimento em círculo

apresentado no gráfico da Figura (3.18) o principal valor de amplitude de

movimento de precessão.

O resultado da atuação do sistema de controle sobre o veículo espacial é visto

comparando as Figuras (3.15) e (3.18), com amplitudes de movimento de

precessão controlado de 0.15° e 0.006°, respectivamente, com o movimento sem

controle, Figura (2.10), com amplitude de 0.37°.

A situação em que o sistema de controle atua simultaneamente à entrada de

perturbação apresenta resultado mais satisfatório de movimento de precessão do

que a situação em que o sistema de controle atua 3s após a entrada de

perturbação, pois conduz o movimento para uma posição mais próxima da origem.

No entanto, ambas ainda apresentam movimento de precessão em estado

estacionário. Isto pode ser resolvido aumentando-se o tempo de atuação do

sistema de controle sobre o veículo, de acordo com a

Figura (3.21).

FIGURA 3.21 - Tempo de atuação do sistema de controle para perturbação degrau.

A seguir são apresentadas as figuras com a simulação do sistema de controle de

acordo com a Figura (3.21). Para as Figuras (3.22), (3.23) e (3.24) foi aplicada a

situação em que o sistema de controle atua 3s após à entrada de perturbação,

Figura (3.21a), e para as Figuras (3.25), (3.26) e (3.27) a situação em que o

Page 78: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

75

sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação,

Figura (3.21b).

FIGURA 3.22 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando de acordo com a Fig. 3.21a.

FIGURA 3.23 - Ângulos de Euler

Page 79: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

76

Fig. 3.24. Movimento de Precessão com atuação do sistema de controle 3s após a entrada de perturbação. Amplitude 0.14°.

FIGURA 3.25 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC, com o sistema de controle atuando de acordo com a Fig. 3.21b.

Page 80: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

77

FIGURA 3.26 - Ângulos de Euler.

FIGURA 3.27 - Movimento de precessão com atuação do controle simultâneo à entrada de perturbação. Amplitude 0.

Como pode ser observado nos gráficos das Figuras (3.24) e (3.27),

aumentando-se o tempo de atuação do sistema de controle o veículo estaciona

numa posição e não apresenta mais oscilações de movimento de precessão em

estado estacionário, como para o caso de atuação do sistema de controle da

Page 81: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

78

Figura (3.12). Além do mais, agora fica ainda mais nítido a melhoria de atuação do

sistema de controle simultaneamente à entrada de perturbação em relação ao

sistema de controle atuando após a entrada de perturbação. Nota-se também que

o movimento de precessão é conduzido á origem, o que é um ótimo resultado.

3.3.2 REALIMENTAÇÃO DE APENAS UMA COMPONENTE DE VELOCIDADE ANGULAR

Realimentar apenas uma componente de velocidade, implica em diminuir o

número de atuadores do sistema de controle embarcado, como foi citado

anteriormente no início do capítulo. Nessa seção é apresentada ainda uma

estratégia que reduz também o número de sensores.

Para essa lei de controle, controle de um eixo, foi considerado o eixo sensor

defasado do eixo de atuação. O ângulo de defasagem do eixo sensor está

diretamente relacionado aos ganhos da lei de controle. Assim, ao encontrar

ganhos ótimos que solucione o problema, dentro das especificações de projeto

estabelecidas, resulta no encontro do ângulo ótimo de direcionamento do eixo

sensor. A Figura 3.28 ilustra essa estratégia e faz uma comparação com a lei de

controle apresentada na seção anterior. Na Figura (3.28a) é ilustrada a situação

em que o sistema de controle atua em um eixo, e na Figura (3.28b) a situação em

que o sistema de controle atua em um eixo, com o eixo sensor defasado do eixo

de atuação de um ângulo α. Essa defasagem implica em um avanço de fase

mecânico (Leite Filho, 1999).

Page 82: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

79

FIGURA 3.28 - Em (a) são mostrados os eixos de atuação e os eixos sensores, ambos em y e z. Em (b) é mostrado o eixo de atuação, em y, defasado de α do eixo sensor.

A lei de controle será testada por duas funções de teste usuais, impulsional e

degrau e os pontos relevantes para o estudo são aqueles citados na seção (3.3).

Inicialmente será considerado entrada de perturbação apenas no eixo y,

implicando em perturbação paralela ao eixo de atuação do controle, e depois

perturbação no eixo z, implicando em perturbação perpendicular ao eixo de

atuação de controle. No Capítulo 4 será considerado entrada de perturbação nos

dois eixos simultaneamente.

3.3.2.1 PERTURBAÇÃO NA DIREÇÃO DO EIXO Y

Nessa seção é analisado o efeito de entrada de perturbação na direção do eixo y,

paralelamente ao eixo de atuação do sistema de controle.

A implantação de uma lei de controle de realimentação proporcional às

componentes de velocidade angular (y e z), do SRC, com atuação em apenas um

eixo (y), e perturbação paralela, é como mostram as Equações (3.27):

( ) ( )( )b27.3

a27.3tukk

yz

yzzyyzy

λω−=ω

+ω−ω−λω=ω

&

&

onde ( )tu y é a entrada de perturbação no eixo (y), ky e kz são os ganhos de

realimentação de cada componente.

Page 83: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

80

Devido à defasagem, como ilustrado na Figura (3.28b), os ganhos ky e kz se

tornam

( ) ( )( ) ( )b28.3senkk

a28.3coskk

z

y

α=

α=

Como a realimentação agora é em um único eixo, a equação de comando de

controle do sistema, ou controlador, é:

( ) ( ) ( ) ( )29.3tktktC zzyy ω−ω−=

A Figura 3.29 mostra o diagrama de blocos do sistema de controle.

FIGURA 3.29 - Diagrama de blocos do sistema de controle com 1 controlador e

entrada de perturbação em apenas num eixo (y).

As Equações (3.27a) e (3.27b) levam às seguintes funções de transferência,

( ) ( )

( ) ( )b30.3)k(sks)s(u

s

a30.3)k(sks

s)s(u

s

zy2

y

z

zy2

y

y

−λλ++λ

−=ω

−λλ++=

ω

A seguir apresenta-se a análise do sistema de controle quanto a

estabilidade, controlabilidade, tempo de assentamento e torque de controle.

ESTABILIDADE

Page 84: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

81

Das funções de transferência Equações (3.30a) e (3.30b), tem-se a

seguinte equação característica:

( ) ( )31.3)k(skss zy2 −λλ++=∆

De acordo com o critério de estabilidade de Routh e a Eq. (3.31), estará

garantida a estabilidade do veículo, quando da atuação do sistema de controle, se

ky > 0 (3.32a)

kz < λ (3.32b)

CONTROLABILIDADE

Além da análise de estabilidade do sistema é necessário verificar a

controlabilidade dos estados realimentados. Será analisado, primeiramente, o

caso mais geral de entrada de perturbação nos dois eixos e depois o caso de

entrada de perturbação em um eixo. Para isso, as equações onde estão as leis de

controle, Equações (3.27), serão colocadas na forma de espaço de estados.

( )33.3u11

0kk

z

yzy

z

y

+

ωω

λ−

−λ−=

ωω&

&

A matriz de controlabilidade é:

( )34.31

kk1C zy

2

λ−−−λ

=

2C quer dizer matriz de controlabilidade para o sistema de controle com

perturbação em dois eixos.

Para que o determinante da matriz C seja diferente de zero é necessário a

seguinte condição:

( )35.32kk zy λ≠+

Page 85: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

82

Dos valores para os ganhos obtidos e mostrados adiante, essa condição é

facilmente assegurada.

Sendo satisfeita portanto a condição expressa em (3.35), a matriz 2C é de posto

2, o que implica que o sistema é completamente controlável pelo estado.

Considerando o caso de perturbação em apenas um eixo (y), que é o caso

analisado nessa seção, a matriz de controlabilidade fica:

( )36.30

k1C y

1

λ−

−=

1C quer dizer matriz de controlabilidade para o sistema de controle com

perturbação em apenas um eixo.

Como pode-se observar, a matriz 1C é de posto 2 o que implica também que o

sistema controle com entrada de perturbação em apenas um eixo é

completamente controlável pelo estado.

TEMPO DE ASSENTAMENTO

De acordo com as Equações (3.30) e o critério de 2% (Ogata, p. 215), a

equação de tempo de assentamento para esse sistema de controle é:

( )37.3k8t

ys =

TORQUE MÍNIMO DE CONTROLE

A transformada de Laplace da equação de controle, Equação (3.29), é:

( ) ( ) ( ) ( )38.3sksksC zzyyy ω−ω−=

Introduzindo as transformadas de Laplace das componentes de velocidade

angular Equações (3.30), na Equação (3.38), obtém-se:

Page 86: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

83

( ) ( ) ( ) ( )39.3su)k(sks

ksu

)k(skssk

sC yzy

2z

yzy

2y

−λλ++λ

+−λλ++

−=

Para analisar a equação de controle considera-se duas entradas de teste

de perturbação usuais, impulsional e degrau.

1) ENTRADA IMPULSIONAL

Para entrada impulsional uy = B, a Equação (3.39) se torna

( ) ( )40.3)k(sks

Bk)k(sks

sBksC

zy2

z

zy2

y

−λλ++λ

+−λλ++

−−=

ou

( ) ( )41.3)k(sks

)ksk(BsC

zy2

zy

−λλ++

λ−−=

Deseja-se saber quais valores de ky e kz implica em um torque mínimo de

controle para o sistema. Para encontrar estes valores procura-se um mínimo para

o pico máximo da equação de torque de controle, Equação (3.41).

O valor temporal da equação de controle, atuando na direção do eixo y,

Equação (3.41) é:

( ) ( ) ( )42.3tcosAetC d

t2

k y

ϕ+ω=−

( )2

kk4 2yz

d

−−λλ=ω ,

2z

2y

d

kkBA +ωλ

−= ,

Page 87: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

84

onde B é a constante relacionada à amplitude da entrada de perturbação e

( )

−−λλ

−λ−−=ϕ

2yzy

2yz

kk4k

kk2arctan

Deve-se fazer, portanto, uma análise da Equação (3.42) para encontrar os

ganhos que implicam em mínimo torque de controle. A Equação (3.42) tem três

variáveis independentes (ky, kz ,t). No entanto, introduzindo o valor arbitrado para

o tempo de assentamento de 5s na Equação (3.37) obtém-se um valor para o

ganho ky = 1,6, o que reduz a dependência da equação para duas variáveis

independentes.

O interessante é que a Equação (3.42) seja apenas função do ângulo α e do

tempo t. Isso pode ser feito considerando o módulo da soma dos ganhos igual a

1,6. Fazendo k = 1,6 nas Equações (3.28) tem-se:

( ) ( )( ) ( )b43.3sen6,1k

a43.3cos6,1k

z

y

α=

α=

O que, dependendo do ângulo α encontrado não resulta em grande variação para

o tempo de assentamento.

Encontrar o mínimo de torque de controle implica agora em encontrar o ângulo

α que resulta num mínimo para a Equação (3.42). Este mínimo quer dizer o ângulo

α que resulta em menor amplitude do maior pico para a

Equação (3.42), considerado em módulo. No entanto, a Equação (3.42) apresenta

a peculiaridade de que à medida que o ângulo α aumenta, o pico máximo da

equação, o primeiro pico, vai diminuindo, mas em compensação o segundo pico

aumenta sua amplitude, de modo que a média aritmética entre o primeiro e

segundo picos se mantém em torno de um valor médio.

Page 88: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

85

A Figura (3.30) mostra gráficos para alguns valores do ângulo α, obtidos

através de solução numérica no programa de computador Maple. Os valores para

os parâmetros da Equação (3.42) estão no Apêndice B.

FIGURA 3.30 - Variação do primeiro e segundo picos com variação do ângulo α para ângulos de 0, 15, 30 e 45 graus.

Observa-se que para o ângulo de 15 graus o primeiro pico é maior que o segundo

e para o ângulo de 30 graus o segundo é maior que o primeiro.

A situação de interesse é, portanto, encontrar o ângulo α onde a amplitude do

primeiro pico se iguale à amplitude do segundo pico, pois isso implica em poder

controlar uma maior amplitude de perturbação.

O primeiro pico ocorre para 0t = . Introduzindo esse valor para o tempo na

Equação (3.44) obtém-se:

Page 89: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

86

( ) ( ) ( )45.3cosA0C ϕ=

Devido à dependência do coseno da Equação (3.42) em α, tanto na fase quanto

na frequência, os picos dessa equação são deslocados.

Para encontrar o tempo em que ocorre o segundo pico procedeu-se da seguinte

forma: encontrou-se o tempo em que a equação cruza o eixo do tempo pela

primeira vez e somou-se a ele um quarto do período de oscilação da função.

A função, Equação (3.42), irá cruzar o eixo do tempo pela primeira vez quando:

( ) ( )46.30tcos d =ϕ+ω

ou seja,

( )47.32

2tdωϕ−π

=

O período da função é:

( )48.32Tdωπ

=

Adicionando um quarto da Equação (3.48) à Equação (3.47), obtém-se o tempo

onde ocorre o segundo pico

( )49.3tdωϕ−π

=

Introduzindo o valor para o tempo do segundo pico na Equação (3.42) obtém-se:

( )50.3cosAeCd

d2

k

d

d

y

ϕ+

ωϕ−π

ω=

ωϕ−π

ωϕ−π

Igualando a Equação (3.45) à Equação (3.50), a igualdade entre as amplitudes

ocorrerá para α = 27,59 graus. Esse valor foi encontrado via solução pelo

Page 90: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

87

programa de computador Maple, e a Figura (3.31) mostra o gráfico da Equação

(3.42) para este valor do ângulo.

FIGURA 3.31 - Amplitude de torque de controle com amplitude do primeiro e segundo picos de aproximadamente 521 N.m.

Via simulação no programa de computador Matlab/Simulink, o valor encontrado

para o ângulo α = 27,10°, está bem próximo do valor encontrado por solução

numérica, via programa Maple, como mostrado acima.

Para esse valor do ângulo α = 27.10° e o valor para o ganho k = 1,6 tem-se

ky = 1,42 e kz = 0,73. Esse valor de ky implica num tempo de assentamento de

5,62s, o que não é uma variação muito grande do tempo arbitrado de 5s. As

Figuras (3.32), (3.33), (3.34) e (3.35) mostram os gráficos da amplitude de torque

de controle, dos ângulos de Euler, do movimento de precessão e de componentes

de velocidade angular do SRC, respectivamente, para atuação do sistema de

controle 5s após à entrada de perturbação, de acordo com a

Figura (3.3a). As Figuras (3.36), (3.37), (3.38) e (3.39) exemplificam a situação

onde o sistema de controle atua simultaneamente á entrada de perturbação, de

acordo com a Figura (3.3b).

Page 91: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

88

FIGURA 3.32 - Torque de controle para perturbação impulsional (Controle atua 5s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 579.80 N.m.

FIGURA 3.33 - Ângulos de Euler (Sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação).

Page 92: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

89

FIGURA 3.34 - Movimento de precessão com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação. Amplitude de 3.43°.

FIGURA 3.35 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC. Sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação

Page 93: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

90

FIGURA 3.36 - Torque de controle para perturbação impulsional (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de 521.40 N.m .

FIGURA 3.37 - Ângulos de Euler ( Sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação).

Page 94: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

91

FIGURA 3.38 - Movimento de precessão (Sistema de controle atuandosimultaneamente à perturbação). Amplitude de 0.70°.

FIGURA 3.39 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC. Sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação.

Devido a problemas de impressão não é possível observar o comportamento da

equação de controle na Figura (3.36). Fazendo uma simulação num intervalo de

Page 95: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

92

tempo menor é possível observar o comportamento do primeiro e segundo picos

de torque de controle, como mostrado na Figura (3.40).

FIGURA 3.40 - Torque de controle para perturbação impulsional para um intervalo de tempo de 0 a 1s (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de 521.40 N.m.

Novamente a situação em que o sistema de controle atua simultaneamente à

entrada de perturbação apresenta um melhor resultado, tanto para amplitude de

torque de controle quanto para amplitude de movimento de precessão. Esses

fatos já foram observados para o sistema de controle de dois eixos.

Comparando as leis de controle estudadas, verifica-se que o sistema de controle

de um eixo requer uma amplitude de torque maior para controlar o veículo, com

uma diferença de aproximadamente 125.30 N.m, ou seja, um acréscimo de

31,63% em relação ao sistema de controle de dois eixos. Por outro lado, a

amplitude de movimento de precessão estacionado é maior para o sistema de

controle de dois eixos do que para o sistema de controle de um eixo, com uma

diferença de aproximadamente 0.05 graus, ou seja, um decréscimo de 6,67%.

Deve-se levar em conta ainda a vantagem do sistema de controle de um eixo que

diminui o número de atuadores e sensores no sistema de controle embarcado,

redução de massa que pode ser convertida em carga útil. A melhor vantagem

Page 96: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

93

depende agora de um balanceamento e critério de escolha para um projeto de

missão espacial específico.

A seguir são apresentados os estudos referentes a entrada de perturbação

constante, como função degrau.

2) ENTRADA DEGRAU

Para entrada de perturbação como função degrau sBu y = , a equação de

comando de controle, Equação (3.40) fica:

( ) ( )51.3))k(sks(s

Bk)k(sks

BksC

zy2

z

zy2

y

−λλ++λ

+−λλ++

−=

ou

( ) ( )52.3))k(sks(s

)ksk(BsC

zy2

zy

−λλ++

λ−−=

O valor temporal da equação de comando, Equação (3.52), é:

( ) ( ) ( )53.3tsenAetC d

t2

k y

ϕ+ω−=−

onde ( )

2

kk4 2yz

d

−−λλ=ω ,

( )

)k)k(4)(k()k)k(4(k)kk2)k(k(k

BA 2yzz

2yz

2z

2zyzyz

−−λλ−λλ

−−λλλ+−−λλ−λ= ,

onde B é a amplitude de perturbação, e:

Page 97: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

94

−λλ−−λλ

−−λλλ−=ϕ

))k()k(k2(k

k)k(4karctan

zzzy

2yzz

Como foi dito e analisado anteriormente no item 2 da seção (3.3.1.1), a amplitude

de torque de controle para entrada de perturbação instantânea (impulsional) é

maior do que para entrada de perturbação constante (degrau). Assim, os valores

de ky e kz (equivalem a α = 27,10 graus) encontrados nessa seção para o caso de

entrada de perturbação impulsional serão aqui usados para obter os gráficos

mostrados a seguir.

As Figuras (3.40) e (3.44), (3.41) e (3.45), (3.42) e (3.46), (3.44) e (3.47), mostram

os gráficos da amplitude de torque de controle, Equação (3.53) em módulo,

ângulos de Euler, movimento de precessão e velocidade angular do SRC,

respectivamente. Os tempos de atuação da perturbação e do sistema de controle

sobre o veículo espacial são mostrados na Figura (3.21). Para as figuras da

primeira coluna o sistema de controle atua após a entrada de perturbação e para

as da segunda coluna simultaneamente à entrada de perturbação.

FIGURA 3.41 - Torque de controle para perturbação degrau (Controle atua 3s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 62.00 N.m.

Page 98: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

95

FIGURA 3.42 - Ângulos de Euler

FIGURA 3.43 - Movimento de Precessão controlado (Controle atua 3s após a perturbação). Amplitude de 0.46°.

Page 99: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

96

FIGURA 3.44 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua 3s após a perturbação).

FIGURA 3.45 - Torque de controle para perturbação degrau (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de controle de 62.10 N.m.

Page 100: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

97

FIGURA 3.46 - Ângulos de Euler

FIGURA 3.47 - Movimento de Precessão controlado (Controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude 0.

Page 101: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

98

FIGURA 3.48 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua simultaneamente à perturbação).

Como pode ser observado nas Figuras (3.42) e (3.46), para esse caso também, de

controle de um eixo, a situação onde o sistema de controle atua simultaneamente

á entrada da perturbação é a melhor, pois conduz o movimento de precessão à

origem.

O sistema de controle de um eixo apresenta um maior pico de torque de controle

em relação ao sistema de controle de dois eixos, uma diferença de 8.40 N.m, que

implica num acréscimo de 15,64%. Como os dois sistemas de controle

apresentam o mesmo resultado em termos de amplitude de movimento de

precessão, deve haver, como para o caso de perturbação instantânea

(impulsional), uma análise a nível de projeto de missão espacial, para encontrar

um critério de escolha em termos de torque de controle disponível e a vantagem

apresentada pelo sistema de controle de um eixo, de redução do número de

atuadores e sensores.

Um retorno nas oscilações, no tempo de 10s, mostrado nas Figuras (3.40) e

(3.44), de amplitude de torque de controle e nas Figuras (3.43) e (3.47) de

componentes de velocidade é porque a perturbação deixa de atuar sobre o veículo

mas o controle continua ligado, sendo ele agora a perturbação sobre o veículo.

Page 102: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

99

3.3.2.2 PERTURBAÇÃO NA DIREÇÃO DO EIXO Z

Nessa seção é analisado o efeito de entrada de perturbação na direção do eixo z,

perpendicular ao eixo de atuação do sistema de controle.

A implantação de uma lei de controle de realimentação proporcional às

componentes de velocidade angular (y e z), do SRC, com atuação em apenas um

eixo (y), e perturbação perpendicular, é como mostram as Equações (3.54):

( )( ) ( )b55.3tu

a54.3kk

zyz

zzyyzy

+λω−=ω

ω−ω−λω=ω

&

&

onde ( )tu z é a entrada de perturbação na direção do eixo (z), ky e kz são os

ganhos de realimentação de cada componente.

A relação entre os ganhos ky e kz e o ângulo α, de defasagem do sensor, é de

acordo com as Equações (3.43), e a defasagem do eixo sensor com o eixo de

atuação de acordo com a Figura (3.28b).

Como só muda a consideração da direção de entrada de perturbação sobre o

veículo, a equação de comando de controle é a mesma da seção (3.3.2.1),

Equação (3.29).

A Figura (3.48) mostra o diagrama de blocos desse sistema de controle.

FIGURA 3.49 - Diagrama de blocos do sistema de controle com atuação em apenas um eixo (y), e perturbação no eixo z, perpendicular à atuação.

Page 103: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

100

As Equações (3.54) levam às seguintes funções de transferência,

( ) ( ) ( )

( ) ( )b55.3)s(u)k(sks

)ks(s

a55.3)s(u)k(sks

ks

zzy

2y

z

zzy

2z

y

−λλ++

+=ω

−λλ++−λ

A seguir apresenta-se a análise do sistema de controle quanto a estabilidade,

controlabilidade, tempo de assentamento e torque de controle.

ESTABILIDADE

Como a equação característica das funções de transferência é a mesma das

funções de transferência da seção (3.3.2.1), vale a mesma condição de

estabilidade naquela seção.

CONTROLABILIDADE

Considerando o caso de perturbação em apenas um eixo (z), que é o caso

analisado nessa seção, de acordo com a Equação (3.33), a matriz de

controlabilidade é:

( )56.301

k0C z

1

−λ=

1C quer dizer matriz de controlabilidade para o sistema de controle com

perturbação em apenas um eixo.

Como pode-se observar da Equação (3.56), a matriz 1C é de posto 2 o que

implica que o sistema de controle, com entrada de perturbação perpendicular ao

eixo de atuação é completamente controlável pelo estado.

TEMPO DE ASSENTAMENTO

A equação para o tempo de assentamento é a mesma da seção (3.2.2.1) pois as

equações características são as mesmas.

Page 104: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

101

Torque Mínimo de Comando de Controle

Introduzindo as transformadas de Laplace das componentes de velocidade

angular, Equações (3.55), na Equação (3.38), a equação de comando de controle

fica como:

( ) ( ) ( )57.3su)k(sks

)ksk(sC z

zy2

yz

−λλ++

λ+−=

Para analisar a equação do comando de controle considera-se duas entradas de

teste de perturbação usuais, impulsional e degrau.

1) ENTRADA IMPULSIONAL

Para entrada impulsional uz = B, a Equação (3.57) se torna:

( ) ( )58.3)k(sks

)ksk(BsC

zy2

yz

−λλ++

λ+−=

O valor temporal para Equação (3.58) é:

( ) ( ) ( )59.3tcosAetC dtk y ϕ+ω= −

( )4

kk

2y

zd −−λλ=ω ,

2z

2y

2yz

2z

d

)k2(k)kk(4(k2

BA −λ+−−λλω

−= , onde B é a amplitude de

perturbação,

( )

ω

−λ−=ϕ

dz

zy

k2k2k

arctan

Page 105: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

102

Como feito nas seções anteriores, deve-se encontrar um valor para o ângulo α

que implica em um torque de controle para o sistema, ou seja, um mínimo para

Equação (3.59).

Na seção (3.3.2.1), para o item que considera perturbação impulsional, encontrou-

se que o mínimo de amplitude de torque de controle ocorre onde a amplitude do

primeiro e segundo picos são iguais. Procurando o ângulo α onde o primeiro pico

de torque de controle se iguala ao segundo na Equação (3.59), encontra α = 90º.

No entanto, este ângulo não implica em um mínimo de torque de controle como

encontrado naquela seção. Fazendo simulações no programa de computador

Matlab/Simulink para vários valores de ângulo α encontrou-se que um mínimo de

torque de controle ocorre para α = -15°.

Para esse valor de α tem-se os seguintes valores para os ganhos:

41,0k e1,55 k zy −==

Desse valor de ky tem-se um tempo de assentamento de 5,18s, o que não varia

muito do valor arbitrado de 5s.

Para esses valores de ky e kz, tem-se as Figuras (3.49) e (3.53) de amplitude de

torque de comando, as Figuras (3.50) e (3.54) de ângulos de Euler (psi e theta), as

Figuras (3.51) e (3.55) do movimento de precessão e as Figuras (3.52) e (3.56) de

componentes de velocidade angular do SRC. A atuação do sistema de controle e

de entrada de perturbação é de acordo com a Figura (3.3).

Page 106: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

103

FIGURA 3.50 - Torque de controle para perturbação impulsional (Controle atua 5s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 519.50 N.m.

FIGURA 3.51 - Ângulos de Euler (Sistema de controle atua 5s após a entrada de perturbação).

Page 107: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

104

FIGURA 3.52 - Movimento de precessão com o sistema de controle atuando 5s após a entrada de perturbação. Amplitude de 3.78°.

FIGURA 3.53 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua 5s após a entrada de perturbação).

Page 108: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

105

FIGURA 3.54 - Torque de controle para perturbação impulsional (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de 527.60 N.m .

FIGURA 3.55 - Ângulos de Euler (Sistema de controle atua simultaneamente à entrada de perturbação).

Page 109: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

106

FIGURA 3.56 - Movimento de Precessão controlado (Controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0.79°.

FIGURA 3.57 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua simultaneamente à entrada de perturbação).

Para controlar o veículo sob perturbação perpendicular ao eixo de atuação requer

um torque de controle menor para situação em que o sistema de controle atua, por

exemplo, 5s após a entrada de perturbação do que para o sistema de controle

atuando simultaneamente à perturbação, com uma diferença de 8.1 N.m,

implicando em um acréscimo de 1,56% apenas sobre a primeira situação. Apesar

Page 110: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

107

desse pequeno acréscimo de torque de controle, a situação em que o sistema de

controle atua simultaneamente ainda apresenta uma larga vantagem em termo de

amplitude de precessão, com uma diferença de 2,99°, implicando em um

decréscimo de 79,10% em relação à situação em que o sistema de controle atua

5s após a perturbação, como pode ser observado comparando as Figuras (3.51) e

(3.54).

2) ENTRADA DEGRAU

Para entrada de perturbação constante, como função degrau sBu y = , a equação

de comando de controle, Equação (3.57), fica:

( ) ( )60.3))k(sks(s

)ksk(BsC

zy2

yz

−λλ++

λ+−=

O valor temporal da equação de comando de controle, Equação (3.60), é:

( ) ( ) ( )61.3tcosAetC d

t2

k y

ϕ+ω=−

onde ( )4

kk

2y

zd −−λλ=ω ,

2y

2zzz

2y

dz

k))k(k)k(k(4)k(2

BA +−λ−−λλω−λ

= , onde B é a amplitude de

perturbação, e

( )

−λλ−λλ−

ωλ−=ϕ

zzz2y

dy

k))k(kk(k

arctan

Como feito para as seções anteriores, serão considerados os ganhos encontrados

para entrada de perturbação impulsional, pois chegou-se a conclusão que o torque

Page 111: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

108

de comando de controle para essa perturbação é maior do que para perturbação

degrau.

Serão portanto considerados os seguintes valores para os ganhos:

41,0k e1,55 k zy −==

Para esses valores de ky e kz, tem-se os gráficos mostrados nas figuras a seguir,

simulados em programa de computador Matlab/Simulink. Nas Figuras (3.57) e

(3.61) tem-se a amplitude de torque de controle, nas Figuras (3.58) e (3.62) os

ângulos de Euler (psi e theta), nas Figuras (3.59) e (3.63) o movimento de

precessão controlado e nas Figuras (3.60) e (3.64) as componentes de velocidade

angular do SRC. Os tempos de atuação do sistema de controle e de entrada de

perturbação são de acordo com a Figura (3.21). E os parâmetros das equações

simuladas são os que constam no Apêndice B.

FIGURA 3.58 - Torque de controle para perturbação degrau (Controle atua 3s após a perturbação). Pico máximo de torque de controle de 82.10 N.m.

Page 112: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

109

FIGURA 3.59 - Ângulos de Euler

FIGURA 3.60 - Movimento de Precessão controlado (Controle atua 3s após a perturbação). Amplitude de 0.15°.

Page 113: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

110

FIGURA 3.61 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua 3s após a perturbação).

FIGURA 3.62 - Torque de controle para perturbação degrau (Controle atua simultaneamente à perturbação). Pico máximo de torque de controle de 82.00 N.m.

Page 114: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

111

FIGURA 3.63 - Ângulos de Euler

FIGURA 3.64 - Movimento de Precessão controlado (Controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude 0.

Page 115: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

112

FIGURA 3.65 - Componentes y e z de velocidade angular do SRC (Controle atua simultaneamente à perturbação)

Novamente a situação em que o sistema de controle atua simultaneamente à

entrada de perturbação apresenta um melhor resultado, onde o movimento de

precessão é conduzido à origem. Os picos máximos de torque de controle são

aproximadamente os mesmos para as duas situações.

No gráfico da Figura (3.63), movimento de precessão, pode parecer que o veículo

abre uma grande amplitude de movimento antes de voltar à origem, mas a

amplitude é da ordem de 10-4 rad (0.006°), ou seja, bem pequena. Fato este que

pode ser verificado também observando a Figura (3.62) dos ângulos de Euler.

3.4 CONCLUSÃO

O sistema de controle de um eixo apresenta uma grande vantagem sobre o

sistema de controle de dois eixos se levar em conta a redução do número de

atuadores e sensores utilizados e uma menor amplitude de movimento de

precessão, em torno de 6.67% menor. Uma desvantagem é quanto ao torque de

controle necessário, em torno de 31.63% maior.

Como o sistema de controle não é de realimentação de ângulos de Euler, ele não

garante que o movimento de precessão será conduzido à origem, mas que apenas

Page 116: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

113

haverá uma redução em sua amplitude, fato que pode ser observado

principalmente quando da atuação de perturbação impulsional. Além do mais, não

é possível predeterminar a posição do eixo longitudinal do veículo depois da

atuação do sistema de controle, porque isso depende da orientação da entrada de

perturbação em relação ao eixo de atuação. No entanto, é possível determinar que

a posição final estará sobre a superfície de um cone que tem como o eixo o vetor

momento angular e cujo ângulo entre o eixo longitudinal e esse vetor é a

amplitude de movimento de precessão, como ilustra a Figura (3.65).

FIGURA 3.66 - Desvio do eixo longitudinal do veículo com o eixo do vetor momento angular. O ângulo δ é a amplitude do movimento de precessão.

O ângulo δ de amplitude de precessão é:

22 ψ+θ=δ

O ângulo α, de localização do eixo sensor com o eixo de atuação, difere quando

considera-se entrada de perturbação paralela (α = 25.71°) ou entrada de

perturbação perpendicular (α = -15°). Isto resulta num problema, porque esse

ângulo deve ser escolhido previamente e deve independer da entrada de

perturbação sobre o veículo, a qual não pode ser predeterminada. O Capítulo 4

mostra um estudo que encontra um ângulo α para todas as possíveis entradas de

perturbação.

Page 117: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

114

Page 118: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

115

CAPÍTULO 4

VARIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO E DA ROTAÇÃO

Como observado nos resultados da seção 3.3.2 (controle de um eixo) a escolha

da orientação do eixo sensor com o eixo de atuação, representada pelo ângulo α,

depende se a entrada de perturbação sobre o veículo espacial é perpendicular ou

paralela ao eixo de atuação do sistema de controle. Isto mostra que o sistema de

controle é sensitivo à orientação da entrada de perturbação e, desta forma,

necessita de um estudo para verificar como é a dependência de localização do

eixo sensor em relação ao eixo de controle. Neste estudo não se atentará à

variação da amplitude da perturbação, o que implica numa relação direta com o

torque de controle, mas somente com sua orientação.

Outra questão a ser abordada é a sensibilidade do ângulo α quanto à variação da

rotação do veículo espacial. Não será considerado, no entanto, variação da

rotação durante o vôo do veículo, mas apenas diferentes valores de rotação

induzida, para uma certa missão, a qual será considerada constante por todo

tempo de trajetória em estudo.

Estes serão os dois temas abordados nesse capítulo, sendo que na primeira

seção será apresentado os estudos quanto à variação da perturbação e na

segunda quanto à variação da rotação.

4.1 VARIAÇÃO DA PERTURBAÇÃO

Perturbações surgem sobre um veículo espacial aleatoriamente, não sendo

possível determinar sua orientação em relação ao eixo de controle do veículo. As

perturbações de natureza constante, que podem ser consideradas como função

degrau, estão presas ao corpo do veículo, e como este está girando, não é

Page 119: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

116

necessário ter conhecimento sobre suas orientações, pois a perturbação vai girar

junto com o veículo. Já para as de natureza instantânea, que podem ser

consideradas como função impulso, é necessário se ter conhecimento sobre sua

orientação. Mas, devido à natureza aleatória da perturbação, isso não é possível.

Assim, uma solução é encontrar um ângulo α (ou uma região de valores para esse

ângulo), que controle todas as possíveis perturbações, que varia de acordo com

sua orientação em relação ao eixo de controle, com uma menor amplitude de

torque.

Essa seção vai mostrar, portanto, um estudo que determina qual o ângulo α que

implica em controlar, com valores mínimos de amplitude de torque, prevalecendo

todas as hipóteses e condições consideradas nos estudos anteriores, todas as

possíveis orientações de entrada de perturbação sobre o veículo.

Como a entrada de perturbação pode ser decomposta em componentes nos eixos

x e y, as equações de Euler, Eqs. (2.3), (2.4) e (2.5), se tornam:

( ) ( )( ) ( )2.4tu

1.4tukk

zyz

yzzyyzy

+λω−=ω

+ω−ω−λω=ω

&

&

onde as componentes uy e uz são:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )4.4sinBtu

3.4cosBtu

z

y

ϕ=

ϕ=

onde B é a amplitude de entrada de perturbação e ϕ (0 < ϕ < π/2) é o ângulo de

variação da orientação do eixo de perturbação com o eixo de controle, como

mostra a Figura (4.1).

Page 120: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

117

FIGURA 4.1 - Variação da orientação da entrada de perturbação com o eixo de torque de controle (u é a amplitude total, igual a B).

As transformadas de Laplace das componentes de velocidade angular do SRC,

Equações (4.1) e (4.2), são:

( )( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( )6.4u

ksksu

ksksks

5.4uksks

suksks

k

yzy

2zzy

2y

z

yzy

2zzy

2z

y

−λλ++λ

−−λλ++

+=ω

−λλ+++

−λλ++−λ

Dessa forma a equação de controle, Eq. (3.40), se torna:

( )( )

( )( ) ( )7.4u

ksksksk

uksks

ksk)s(C y

zy2

zyz

zy2

yz

−λλ++

λ−−

−λλ++

λ+−=

A solução temporal da equação de controle, Equação (4.7), tem agora três

variáveis independentes (t,α,ϕ), o que torna difícil obter uma solução analítica para

encontrar um valor para o ângulo α que resulte em uma menor amplitude de

torque de controle. Portanto, deve-se encontrar um valor, ou valores, para α,

considerando todas as possíveis orientações de entrada de perturbação, por

solução numérica.

A dependência da Equação (4.7) sobre o ângulo α vem das equações para os

ganhos ky e kz, de acordo com as Equações (3.32) e (3.33).

Page 121: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

118

O gráfico da Figura (4.2) mostra a relação entre o ângulo α e a amplitude de

torque de controle para os valores do ângulo ϕ, que constam na legenda da figura.

A obtenção do gráfico é a partir da solução numérica da Equação (4.7), no

programa de computador Matlab/Simulink, com os parâmetros do veículo de

acordo com os dados da Tabela 1 do apêndice B.

Para todas as curvas da Figura (4.2) procurou-se manter a amplitude do ganho k

constante, ou seja,

( )8.46.1kkk 2z

2y =+=

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100520

540

560

580

600

620

640Amplitude de torque de controle com variaç õ es do ganho e perturbaç ã o

Ângulo alpha (graus)

Torq

ue d

e C

ontro

le (N

.m)

00°05°15°25°30°45°50°60°75°90°

FIGURA 4.2 - Gráfico da amplitude de torque de controle versus variação do ângulo α para os seguintes ângulos de entrada de perturbação: 0°, 5°, 15º, 25°, 30°, 45°, 50°, 60°, 75° e 90°.

Observando o gráfico da Figura (4.2) nota-se que para um ângulo α = - 60° tem-se

uma menor variação da amplitude de torque de controle para todos os ângulos de

entrada de perturbação analisados. No entanto, esse ângulo implica num ganho ky

= 0.5, de acordo com as Equações (3.32) e (4.8), o que resulta num tempo de

assentamento de ts = 16s, de acordo com a Equação (3.39). Esse valor é,

portanto, muito maior que o valor arbitrado para o tempo de assentamento de 5s,

Page 122: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

119

usado nas seções anteriores. Assim, o melhor valor para o ângulo α de acordo

com o gráfico da Figura (4.2) não é uma boa escolha, assumindo uma amplitude

de ganho constante.

Uma solução para encontrar o ângulo α, mantendo um tempo de assentamento de

5s, é manter ky = 1.6, fixo. Isto implica em variar a amplitude do ganho k , de

acordo com as Equações (3.32) e (3.33), ao mesmo tempo que α varia. A Figura

(4.3) mostra o gráfico da amplitude de torque de controle versus ângulo α, obtido

por solução numérica da Equação (4.7) no programa de computador

Matlab/Simulink.

-60 -40 -20 0 20 40 60500

600

700

800

900

1000

1100

1200Amplitude de torque de controle com variaç õ es do ganho e perturbaç ã o

Ângulo alpha (graus)

Torq

ue d

e C

ontro

le (N

.m)

00°05°15°30°45°60°75°90°

FIGURA 4.3 - Gráfico da amplitude de torque de controle versus variação do ângulo α para os seguintes ângulos de entrada de perturbação (0°, 5°, 15º, 30°, 45°, 60°, 75° e 90°), considerando ky = 1.6, constante.

Uma ampliação da Figura (4.3) permitirá uma melhor vizualização na região onde

mostra existir um ângulo α que implica em uma menor amplitude de controle,

como mostra a Figura (4.4).

Page 123: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

120

-15 -10 -5 0 5530

540

550

560

570

580

590

600Amplitude de torque de controle com variaç õ es do ganho e perturbaç ã o

Ângulo alpha (graus)

Torq

ue d

e C

ontro

le (N

.m)

FIGURA 4.4 - Ampliação da Fig. (4.3) para ângulos α entre -15° e 5°. Vale a seguinte simbologia para cada ângulo ϕ de entrada de perturbação Ο 0°, 5°, +15º, ∆30°, ∗45°, 60°, ◊75° e x90°.

Do gráfico da Figura (4.4) fica mais nítido que um melhor valor para o ângulo α,

está dentro da faixa de -5° a -2°, o que implica em ganhos dentro da faixa de kz = -

0.14 a kz = -0.06, respectivamente, de acordo com a Equação (3.33),

considerando ky = 1.6 (constante).

4.2 VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO

Uma redução da rotação do veículo espacial implica num menor torque de

controle necessário para estacionar o movimento de precessão, pois diminui a

rigidez giroscópica do veículo. No entanto, a amplitude do ângulo de precessão

será maior com essa diminuição da rotação.

Antes da apresentação dos gráficos das soluções numéricas da Equação (4.7),

para diferentes valores da rotação do veículo, pode-se fazer uma breve análise a

respeito da sensibilidade do ângulo α com a variação da rotação: Ao variar a

rotação do veículo varia o torque de controle, como mencionado acima, o que

Page 124: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

121

implica em variar também os ganhos ky e kz, de acordo com a Eq. (4.7). Estes

ganhos, por sua vez, são dependentes do ângulo α, de acordo com as Eqs. (3.32)

e (3.33).

A dependência das Equações (4.1), (4.2) e consequentemente a Equação (4.7),

com a rotação do veículo está relacionada ao parâmetro λ, que é diretamente

proporcional à rotação induzida, de acordo com a Equação (2.10) que será rescrita

nessa seção,

( )nJ

JJ 1−=λ

onde n é a rotação induzida sobre o veículo.

Foram feitas análises para alguns valores de rotação n (deve-se lembrar que não

se está considerando variação da rotação durante o vôo), os quais permitem

comprovar a sensibilidade da localização do ângulo α quando se varia a rotação.

O procedimento de trabalho foi refazer toda a análise da seção anterior para cada

valor de rotação escolhido.

A seguir são apresentados os gráficos das soluções numéricas da Equação (4.7),

para os seguintes valores de rotação: 1 rps, 2 rps e 3 rps.

Page 125: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20450

500

550

600

650

700

750

800

850A m plitude de torque de controle com variaç õ es da rotaç ã o.

 ngulo alpha (graus)

Torque

de co

ntrole (N

.m)

a) 1 rps, 5° < α < 10°

-15 -10 -5 0 5530

540

550

560

570

580

590

600A m plitude de torque de controle com variaç õ es do ganho e perturbaç ã o

 ngulo alpha (graus)

Torque

de Con

trole (N

.m)

b) 2 rps, -5° < α < -2°

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20540

560

580

600

620

640

660Amplitude de torque de controle com variaç õ es da rotaç ã o.

Ângulo alpha (graus)

Torq

ue d

e co

ntro

le (N

.m)

c) 3 rps, α = -5°

FIGURA 4.5 - Gráficos de amplitude de torque de controle por α considerando para diferentes valores de rotação. Para todos os gráficos tem-se a seguinte simbologia para cada ângulo ϕ de entrada de perturbação Ο 0°, 5°, +15º, ∆30°, ∗45°, 60°, ◊75° e x90°)

Page 126: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

123

Dos gráficos da Figura (4.5) têm-se que para uma rotação de 1rps do veículo a

melhor localização do eixo sensor com o eixo de controle está dentro da faixa de

5° a 10°, para 2rps de -5° a -2° e para 3rps α = -5°, aproximadamente. A

conclusão é que quanto maior a rotação mais negativo é o ângulo α, o que implica

num maior avanço de fase mecânico. No caso da rotação de 1rps implica num

atraso de fase mecânico.

A seguir são mostradas figuras de movimento de precessão e amplitude de torque

de controle para cada rotação considerada acima.

a)

b)FIGURA 4.6 - A figura (a) é o gráfico de amplitude de torque de controle (picomáximo de 581 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s(amplitude de 0.74° ), para o sistema de controle de um eixo (controle atuasimultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 1 rps ( α =7,5°, ky = 1,6, fixo, e kz = 0,209).

Page 127: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

124

a)

b)

FIGURA 4.7 - A figura (a) é o gráfico de amplitude de torque de controle (pico máximo de 584 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s (amplitude de 0.74° ), para o sistema de controle de um eixo (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 2 rps ( α = -3, ky = 1,6, fixo, e kz = -0,084).

Page 128: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

125

a)

b)FIGURA 4.8 - A figura (a) é o gráfico de amplitude de torque de controle (pico

máximo de 586 N.m), e a figura (b) o movimento de precessão estacionado em 5s (amplitude de 0.75° ), para o sistema de controle de um eixo (controle atua simultaneamente à entrada de perturbação), considerando rotação de 3 rps ( α = -5, ky = 1,6, fixo, e kz = -0,139).

Page 129: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

126

4.3 CONCLUSÃO

Da Figura (4.3) observa-se que, dada uma certa rotação para o veículo espacial, é

possível encontrar um ângulo α, de defasagem do eixo sensor com o eixo de

atuação, que controle o movimento de precessão com uma menor variação entre

os picos máximos de torque de controle, para todas as possíveis orientações de

entrada de perturbação sobre o veículo (0° < ϕ < 90°). Ainda de acordo com a

Figura (4.3) tem-se que para uma rotação de 2 rps o intervalo de valores para o

ângulo é de -5° < α < -2°.

Os gráficos da Figura (4.5) mostra os valores do ângulo α encontrados

considerando rotações do veículo de 1 rps e 3 rps. Nota-se portanto, que o ângulo

α é sensível à rotação induzida sobre o veículo espacial, que foi considerada

constante durante em todo o tempo de vôo considerado.

Page 130: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

127

CAPÍTULO 5

SISTEMA DE CONTROLE PROPORCIONAL COM ACIONADOR ON-OFF

Como expressado no Capítulo 1, apesar de atuador proporcional não ser

empregado em sistemas de controle reais, seu estudo é importante como ponto de

partida para estudo e implementação de sistemas de controle mais realísticos.

Nesse capítulo são apresentados estudos de um sistema de controle proporcional

com acionador on-off (liga-desliga), que são atuadores largamente utilizados em

sistemas de controle ativo de veículos espaciais.

Serão apresentadas, novamente, duas situações de atuação do sistema de

controle, em um e dois eixos. Para o caso do controle de dois eixos serão usados

os mesmo ganhos da seção (3.3.1.1), e para o caso do controle de um eixo será

usado α = -3°, que está dentro do intervalo de -5° a -2° encontrado para o caso do

veículo espacial estabilizado com rotação de 2 rps em torno do seu eixo

longitudinal (menor momento de inércia). A seção (5.1) mostra os estudos para o

primeiro caso e a seção (5.2) para o segundo.

5.1 REALIMENTAÇÃO DE DUAS COMPONENTES DE VELOCIDADE ANGULAR

O sistema de controle de dois eixos, proporcional a componentes de velocidade

angular do SRC, com atuador on-off, é como representado no diagrama de blocos

da Figura (5.1).

FIGURA 5.1 - Diagrama de blocos do sistema de controle de dois eixos com

atuador on-off.

Page 131: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

128

Para esse sistema de controle tem-se as seguintes equações de Euler de

movimento rotacional:

( ) ( )( )b1.5c

a1.5tuc

zyz

yyzy

−λω−=ω

+−λω=ω

&

&

onde

>ω+

<ω−=

0kse1

0kse1c

yy

yy

y e

>ω+

<ω−=

0kse1

0kse1c

zz

zz

z ,

( )tu y é a entrada de perturbação na direção do eixo y, ky e kz são os ganhos de

realimentação de cada componente.

As saídas dos comandos cy e cz são multiplicadas por uma constante c = 0,0033,

para serem convertidas em torque de controle. Essa constante equivale a um

torque de 115 N.m dividido pelo momento de inércia transversal ao eixo

longitudinal de 34641 kg.m2.

Para simulação desse sistema de controle são considerados os seguintes valores

dos ganhos, encontrados na seção (3.3.1.1), ky = 0,8 e kz = 0,8. Tem-se, portanto,

as seguintes figuras de torque de controle, ângulos de Euler (ψ e θ), movimento de

precessão e componentes de velocidade angular ( y e z). O sistema de controle

atua simultaneamente à entrada de perturbação, de acordo com a

Figura (3.12b).

Page 132: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

129

FIGURA 5.2 - Componentes de velocidade angular do SRC. Atinge o estado estacionário em 2.5s.

FIGURA 5.3 - Ângulos de Euler.

Page 133: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

130

FIGURA 5.4 - Amplitude de torque de controle de 230N.m. Frequência de abertura das válvulas de 2Hz.

FIGURA 5.5 - Movimento de precessão controlado para o sistema de controle on- off de dois eixos (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0.76°

Das simulações para esse sistema de controle procurou-se encontrar a amplitude

de torque de controle que parasse o movimento de precessão com

aproximadamente a mesma amplitude encontrada para o caso do sistema de

controle com atuador proporcional, estudado na seção (3.3.1.1), cujo valor

Page 134: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

131

encontrado foi de 0,75°. Portanto, o valor aqui encontrado, de 0,76°, como pode

ser observado na Figura (5.5), é um valor bem próximo.

O sistema de controle com atuador on-off apresenta vantagens em relação ao

sistema de controle com atuador proporcional em termo de amplitude de torque de

controle (amplitude de 230 N.m), com um decréscimo de 41,93%, e tempo de

assentamento de 2.5 s (para o sistema de controle com atuador proporcional foi

arbitrado um tempo de assentamento de 5s).

Page 135: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

132

5.2 REALIMENTAÇÃO DE UMA COMPONENTE DE VELOCIDADE ANGULAR

O sistema de controle de um eixo, proporcional a componentes de velocidade

angular do SRC, com atuador on-off, é como representado no diagrama de blocos

da Figura (5.6).

FIGURA 5.6 - Diagrama de blocos do sistema de controle de um eixo com atuador on-off.

Para esse sistema de controle tem-se as seguintes equações de Euler de

movimento rotacional:

( ) ( )( )b2.5

a2.5tuc

yz

yyzy

λω−=ω

+−λω=ω

&

&

onde ( )

( )

>ω+ω−+

<ω+ω−−=

0kkse1

0kkse1c

zzyy

zzyy

y ,

( )tu y é a entrada de perturbação na direção do eixo y, ky e kz são os ganhos de

realimentação de cada componente.

A saída do comando cy é multiplicada por uma constante c = 0,0072, para ser

convertida em torque. Essa constante equivale a um torque de 250 N.m dividido

pelo momento de inércia transversal ao eixo longitudinal de 34641 kg.m2.

Para simulação desse sistema de controle são considerados os valores dos

ganhos encontrados na seção (3.3.2.1), ky = 1,6 e kz = -0,08. Tem-se, portanto, as

Page 136: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

133

seguintes figuras de torque de controle, ângulos de Euler (ψ e θ), movimento de

precessão e componentes de velocidade angular (y e z). O sistema de controle

atua simultaneamente à entrada de perturbação, de acordo com a

Figura (3.12b).

FIGURA 5.7 - Componentes de velocidade angular do SRC. Atinge o estado estacionário em 2,33s.

FIGURA 5.8 - Ângulos de Euler.

Page 137: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

134

FIGURA 5.9 - Amplitude de torque de em 241,50N.m. Frequência de abertura das válvulas de 2Hz.

FIGURA 5.10 - Movimento de precessão controlado para o sistema de controle on- off de um eixo (controle atua simultaneamente à perturbação). Amplitude de 0,70°.

Novamente procurou-se por meio de simulações para esse sistema de controle a

amplitude de torque que resultasse numa amplitude de movimento de precessão

de 0,70°, como encontrado para o sistema de controle com atuador proporcional.

Page 138: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

135

A amplitude de torque de controle encontrada é de 241,50 N.m, um decréscimo de

53,68% em relação ao atuador proporcional, e o tempo de assentamento de 2,33s.

5.3 CONCLUSÃO

O sistema de controle com atuador on-off mostrou-se satisfatório em estacionar o

movimento de precessão, além de apresentar grandes vantagens em relação ao

sistema de controle com atuador proporcional.

No foi no entanto estudado, para nenhum dos dois casos apresentados nesse

capítulo, condições ótimas em termos de amplitude de torque de controle, como

feito para o caso do sistema de controle com atuador proporcional. Foi notado

que, para o caso da seção (5.2), aumentando-se a amplitude do torque de controle

sobre o sistema diminui-se a amplitude de movimento de precessão. Isto é um fato

esperado, mas deve haver um compromisso entre a energia disponível no sistema

e a amplitude de movimento de precessão desejada. Isto é portanto um estudo de

otimização que pode ser realizado em trabalhos futuros.

Page 139: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

136

Page 140: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

137

CAPÍTULO 6

CONCLUSÃO E COMENTÁRIOS

O objetivo a que este trabalho se propôs a estudar foi alcançado, que é controlar o

movimento de precessão de um veículo espacial estabilizado por rotação, com

amplitude menor que 1°. Não é possível, no entanto, conduzi-lo à origem porque o

sistema de controle é de realimentação de velocidade angular, do sistema de

referência do corpo, e não de ângulo, do sistema de referência inercial.

O sistema de controle de um eixo mostrou-se mais vantajoso do que o sistema de

controle de dois eixos por diminuir o número de atuadores e sensores do sistema

de controle embarcado, devido a estratégia de defasar o eixo sensor do eixo de

atuação (representado pelo ângulo α), além de obter uma menor amplitude de

movimento de precessão, um decréscimo de 6,67%. Sua desvantagem é em

relação a amplitude de torque de controle, que apresenta um acréscimo de

31,63% em relação ao sistema de controle de dois eixos.

No Capítulo 4 são apresentados estudos que mostram que o ângulo α é sensível a

variações da rotação, e depende da orientação da entrada de perturbação em

relação aos eixos principais, transversais ao eixo longitudinal do veículo.

O sistema de controle com atuador on-off mostrou-se bastante satisfatório em

controlar o movimento de precessão, e o faz com amplitude de torque de controle

menor do que para o sistema de controle com atuador proporcional. Para o caso

do sistema de controle de dois eixos apresenta um decréscimo de 41,93% e para

o caso do sistema de controle de um eixo um decréscimo de 53,68%. Além disso,

apresenta um menor tempo de assentamento, de 2,5s para o controle de dois

eixos e de 2,33s para o controle de um eixo.

Alguns tópicos que surgiram durante os estudos desse trabalho, e não puderam

ser abordados, e algumas considerações que visam generalizar o problema, de

modo a aproximá-lo o máximo possível da realidade, são merecedores de

Page 141: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

138

detalhados estudos e podem transformar em objetos de estudo para trabalhos

futuros, como:

a) Considerar variação de massa do veículo espacial;

b) Estabelecido um limite aceitável para a amplitude de movimento de precessão,

encontrar valores ótimos para a amplitude de torque de controle para o caso do

atuador on-off;

c) Considerar em todos os sistemas de controle estudados, efeitos de entrada de

perturbação que não estejam presas ao corpo do veículo espacial, como

perturbação gravitacional, arrasto aerodinâmico etc;

d) Implementar experimentalmente os sistemas de controle estudados numa

mesa de 3 eixos;

e) Encontrar valores para o ângulo α considerando o efeito de retardo dos

atuadores;

f) Digitalizar o controlador e considerar seus efeitos.

Page 142: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

139

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ball, K. J.; Osborne, G. F., Space vehicle dynamics. Oxford: At The Clarendon,

1967. 259p.

Bryson, A. E. Control of spacecraft and aircraft. Princeton: Princeton Univ.

Press, 1994. 378p.

Cochran, J. E.; Thompson, J. A. Nutation dampers vs precession dampers for

asymmetric spacecraft. Journal of Guidance and Control, v.3, n.1,

p. 22-28, Jan.-Feb. 1980.

Cornelisse, J. W. Rocket propulsion dynamics. London: Pitman, 1979. 505p.

Ferri, J. F. Banco de dados do sistema de controle do veículo Sonda IV – PT.03. São José dos Campos: CTA, nov. 1987. (IAE-RT-020/EIC-COG/87).

Goldstein, H. Classical mechanics. Massachusets: Addison-Wesley, 1950. 672p.

Greenwood, D. T. Principles of dynamics. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1965.

518p.

Guilherme, M. S.; Leite Filho, W. C. Sistema de controle ativo de precessão

(SCAP). [CD-ROM]. In: Congresso Brasileiro de Automática, 13.

Florianópolis, 2000. Anais. Florianópolis: Universidade Federal de Santa

Catarina, 2000. Seção de Aplicações de Controle III.

Jarmolow, K. Dynamics of a Spinning Rocket with Varying Inertia and Applied

Moment. Journal of Applied Physics, v.28, n.3, p. 308–313, Mar. 1957.

Kaplan, M. H. Modern spacecraft dynamics and Control. New York: Wiley,

1976. 415 p.

Leite Filho, W. C. Uso de compensação mecânica – tipo avanço de fase – em

controle de atitude de mísseis. [CD-ROM]. In: Congresso Brasileiro de

Page 143: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

140

Engenharia Mecânica, 15. Águas de Lindóia, 1999. Anais. São Paulo:

Sonopress Multimídia, 1999.

Longuski, J. M.; Kia, T. A parametric study of the behavior of the angular

momentum vector during spin rate changes of rigid-body spacecraft.

Journal of Guidance, v.7, n.3, p. 295-300, May.-June 1984 a.

Longuski, J. M. On the attitude motion of a self-excited rigid body. The Journal ofthe Astronautical Sciences, v.32, n.4, p. 463-473, Oct.-Dec. 1984 b.

Longuski, J. M.; Kia, T.; Breckenridge, W. G. Annihilation of angular momentum

bias during thrusting and spinning-up maneuvers. The Journal of theAstronautical Sciences, v.37, n.4, p. 433-450, Oct.-Dec. 1989.

Martz, C. W. Method for approximating the vacuum motions of spinningsymmetrical bodies with nonconstant spin rate. Langley Station: NASA,

1963. p. 19. (NASA-TR R-115).

Meyer, R. X. Conning instability of spacecraft during periods of thrust. Journal ofSpacecraft and Rockets, v.33, n.6, p. 781-788, Nov.-Dec. 1996.

Ogata, K., Engenharia de controle moderno. Rio de Janeiro: Editora Prentice-

Hall do Brasil, 1993. 781p.

Suddath, J. H. A theorical study of the angular motions of spinning bodies inspace. Langley Field: NASA, 1960. p. 12. (NASA- TR R-83).

Wertz, J. R., Spacecraft attitude determination and control. Dordrecht: D.

Reidel Publishing, 1978. 858 p.

Wie, B. Space vehicle dynamics and control. Reston: AIAA Education Series,

1998. 661p.

Page 144: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

141

APÊNDICE A

EQUAÇÕES CINEMÁTICAS

A formulação da dinâmica de atitude de um veículo espacial e problemas de

controle envolvem considerações de cinemática. Este seção se preocupa com a

cinemática rotacional de um corpo rígido. Em cinemática rotacional está-se

interessado em descrever a orientação de um corpo que está em movimento

rotacional, sendo algo apenas de natureza matemática porque não envolve

nenhuma força associada a movimento.

A orientação de um sistema de referência B em relação a um sistema de

referência A pode ser descrita introduzindo a dependência temporal dos ângulos

de Euler, ψ& , θ& e φ& .

Considere a seqüência de rotação C1(φ) ← C2(θ) ← C3(ψ) de A para B, como

representada como:

C3(ψ) : A’ ← A A.(1)

C2(θ) : A’’ ← A’ A.(2)

C1(φ) : B ← A’’ A.(3)

onde cada rotação é descrita, respectivamente, por:

( )

ψψ−ψψ

=

ψ=

′′′

3

2

1

3

2

1

3

3

2

1

aaa

1000cossen0sencos

aaa

Caaa

r

r

r

r

r

r

r

r

r

A.(4)

( )

′′′

θθ

θ−θ=

′′′

θ=

′′′′′′

3

2

1

3

2

1

2

3

2

1

aaa

cos0sen010

sen0cos

aaa

Caaa

r

r

r

r

r

r

r

r

r

A.(5)

Page 145: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

142

( )

′′′′′′

φφ−φφ=

′′′′′′

φ=

3

2

1

3

2

1

1

3

2

1

aaa

cossen0sencos0

001

aaa

Cbbb

r

r

r

r

r

r

r

r

r

A.(6)

O que se deseja é expressar o vetor velocidade angular ωr no sistema de

referência B a partir do sistema de referência A. As sucessivas rotações, Eqs.

(A.1), (A.2) e (A.3), são também representadas como:

AA:A/A ←′ω ′rA.(7)

AA:A/A ′←′′ω ′′′rA.(8)

AB:A/B ′′←ω ′′rA.(9)

e os vetores velocidade angular A/A′ωr

, A/A ′′′ωr

e A/B ′′ωr

são expressados como:

33A/A aa ′ψ=ψ=ω ′ r

&r&

rA.(10)

22A/A aa ′′θ=′θ=ω ′′′ r&r&r

A.(11)

11A/B ba

r&r&rφ=′′φ=ω ′′ A.(12)

O vetor velocidade angular A/Bωr

torna-se então:

A/Bωr

= A/B ′′ωr

+ A/A ′′′ωr

+ A/A′ωr

= 1br&φ + 2a ′′θ

r& + 3a′ψr& A.(13)

o qual pode ser rescrito como:

A/Bωr

= [ ] [ ] [ ]

ψ

′′′+

θ′′′′′′+

φ

&

rrr&rrr&

rrr00

aaa0

0aaa

00bbb 321321321 A.(14)

Das Eqs. (A.5) (A.6) tem-se:

Page 146: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

143

[ ] [ ] ( )φ=′′′′′′ 1321321 Cbbbaaarrrrrr

A.(15)

[ ] [ ] ( ) ( )θφ=′′′ 31321321 CCbbbaaarrrrrr

A.(16)

devido ao vetor velocidade angular AB /ωω rr= poder também ser representado

como:

[ ]

ωωω

=ω+ω+ω=ω

3

2

1

321332211 bbbbbbrrrrrrr

A.(17)

Substituindo (A.15) e (A.16) em (A.14) obtém-se:

[ ] ( ) ( ) ( )

ψθφ+

θφ+

φ=ω

&

&

&rrrr 0

0CC

0

0C

00bbb 211321

A/B A.(18)

Comparando A.17 com A.18 obtém-se:

( ) ( ) ( )

ψθφ+

θφ+

φ=

ωωω

&

&

&

00

CC0

0C

00 211

3

2

1

A.(19)

De acordo com as matrizes de transformação C1(φ) e C2(θ), como visto na

Equações (A.5) e (A.6), e fazendo a multiplicação de matriz obtém-se:

ψθφ

θφφ−θφφ

θ−=

ωωω

&

&

&

coscossen0cossencos0

sen01

3

2

1

A.(20)

Page 147: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

144

Considerando o sistema B como o sistema de referência centrado no centro de

massa do corpo (Sistema de Referência do Corpo – SRC) e o sistema A como um

sistema de referência inercial (Sistema de Referência Inercial – SRI), a Eq. (A.20)

representa uma orientação de um vetor no SRC a partir do SRI. No entanto para

se ter uma visualização do fenômeno físico em estudo deseja-se uma orientação

do vetor no SRI a partir do SRC, a qual pode ser vista como na equação abaixo:

ωωω

φφθφ−θφθφθφθ

θ=

ψθφ

3

2

1

cossen0sensencoscos0

sencossensencos

cos1

&

&

&

A.(21)

Page 148: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

145

APÊNDICE B

B.1 TABELA COM OS DADOS DO FOGUETE SONDA IV.

O Sonda IV é um foguete construído no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) do

Centro Técnico Aeroespacial (CTA), São José dos Campos - SP.

TABELA B.1 - Parâmetros para simulação das leis de controle

x y z

Condição inicial de velocidade angular (rad/s) 12,56 0 0

Momento de inércia (kg.m2) 360,94 34641 34641

Torque de Perturbação (N.m) 0 367,5 367,5

Fonte: Ferri, J. F. Bando de dados do sistema de controle do veículo Sonda IV –

PT. 03.

Para os valores da Tabela (B.1) têm-se os valores para os seguintes parâmetros:

n = 12,56 rad/s (rotação em torno do eixo longitudinal)

λ = 12.43 rad/s (velocidade relativa de spin)

A constante B, encontrada nas equações de controle para cada tipo de atuação do

sistema de controle, tem a amplitude do valor da última linha da tabela 1, e

corresponde a uma condição inicial de aproximadamente 0.61 graus, para o caso

de entrada de perturbação impulsional.

Page 149: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

146

Page 150: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

147

APÊNDICE C

ARQUIVOS DE PROGRAMA DO MATLAB/SIMULINK

Arquivos de programas feitos no pacote Matlab/Simulink para simular os sistemas

de controle, proporcional e on-off, atuando em um e dois eixos.

C.1 PROGRAMA PARA CONTROLADOR PROPORCIONAL ATUANDO EM UM EIXO

Page 151: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

148

C.2 PROGRAMA PARA CONTROLADOR PROPORCIONAL NOS DOIS EIXOS

Page 152: ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONTROLE ATIVO DE

149

C.3 PROGRAMA PARA CONTROLADOR ON-OFF