Modelagem computacional de sistemas de controle de altitude de balões estratosféricos em Hopsan (2024)
- Authors:
- Autor USP: MORENO, VICTOR MARQUES - EESC
- Unidade: EESC
- Sigla do Departamento: SAA
- Subjects: SIMULAÇÃO; BALÕES
- Keywords: Balões estratosféricos; Hopsan; Modelagem; Estabilidade; Controle de altitude; Controlador PID; Válvula; Sistema de lastro
- Language: Português
- Abstract: Os balões de alta altitude, utilizados como plataformas, podem atingir altitudes desejadas de 20, 30 km ou mais, e transportar cargas pesadas para o ambiente próximo ao espaço, facilitando estudos atmosféricos, observação da Terra, telecomunicações e outras aplicações. Os balões de pressão zero são uma forma convencional de balões científicos de gás. O mecanismo de controle é um dos aspectos fundamentais para projetar balões de alta altitude seguros e duráveis. Muitos estudos sobre balões de pressão zero se concentraram em métodos tradicionais que utilizam sistemas de atuação por válvula e/ou lastro para controlar e manter a altitude constante dos balões. No contexto de lançamento educacional de balões estratosféricos realizados pelo grupo Zenith, existe o interesse em prolongar o período de flutuação do balão permitindo um período maior de coleta de dados de forma mais estável, neste sentido, este trabalho é realizado com o objetivo de modelar e estudar a dinâmica de um balão estratosférico, assim como o de desenvolver um sistema de controle de altitude. Todos os fatores físico-matemáticos envolvidos na dinâmica deste sistema são estudados para uma modelagem simples e concisa, que por sua vez será analisada sob uma visão de estabilidade através da linerização e modelagem em espaço de estados com o propósito de projetar uma arquitetura de controle. O modelo computacional é desenvolvido no software Hopsan representando todas as características do sistema físico do balão, assim como uma malha de controle para estabilização de sua altitude de flutuação pela utilização de 2 atuadores: uma válvula que permite a liberação do gás interno do balão e um sistema de lastro capaz de liberar peso do sistema.Uma série de simulações envolvendo diferentes configurações de arquiteturas de controle PID são realizadas e comparadas destacando as principais vantagens e desvantagens de cada, assim como é feita uma análise da robustez do sistema de controle ao introduzir ruídos gaussianos às medições feitas pelos sensores do sistema de controle e às forças de atuação no modelo. A dinâmica do modelo linear desenvolvido em torno da altitude de referência e os resultados das simulações evidenciam a necessidade de um sistema de controle para a estabilização da altitude, e que um controlador de ganho proporcional não é suficiente para garantir a estabilidade, sendo necessária a adição de pelo menos um elemento derivativo. Os resultados também mostram que o elemento integrativo do controlador consegue aprimorar algumas métricas da resposta do modelo, como o Overshoot e o tempo de acomodação.
- Imprenta:
- Publisher place: São carlos
- Date published: 2024
-
ABNT
MORENO, Victor Marques. Modelagem computacional de sistemas de controle de altitude de balões estratosféricos em Hopsan. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São carlos, 2024. Disponível em: https://bdta.abcd.usp.br/directbitstream/19cf0baa-9fa1-405c-9ca9-7214c2cb479b/Moreno_Victor_Marques_FINAL.pdf. Acesso em: 17 abr. 2025. -
APA
Moreno, V. M. (2024). Modelagem computacional de sistemas de controle de altitude de balões estratosféricos em Hopsan (Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São carlos. Recuperado de https://bdta.abcd.usp.br/directbitstream/19cf0baa-9fa1-405c-9ca9-7214c2cb479b/Moreno_Victor_Marques_FINAL.pdf -
NLM
Moreno VM. Modelagem computacional de sistemas de controle de altitude de balões estratosféricos em Hopsan [Internet]. 2024 ;[citado 2025 abr. 17 ] Available from: https://bdta.abcd.usp.br/directbitstream/19cf0baa-9fa1-405c-9ca9-7214c2cb479b/Moreno_Victor_Marques_FINAL.pdf -
Vancouver
Moreno VM. Modelagem computacional de sistemas de controle de altitude de balões estratosféricos em Hopsan [Internet]. 2024 ;[citado 2025 abr. 17 ] Available from: https://bdta.abcd.usp.br/directbitstream/19cf0baa-9fa1-405c-9ca9-7214c2cb479b/Moreno_Victor_Marques_FINAL.pdf
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