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Modeling and Control of Antennas and Telescopes (Mechanical Engineering Series)
By Wodek Gawronski




Publisher: Springer
Number Of Pages: 232
Publication Date: 2008-06-24
ISBN-10 / ASIN: 0387787925
ISBN-13 / EAN: 9780387787923
Binding: Hardcover




The book shows, step by step, the design, implementation, and testing of the antenna/telescope control system, from the design stage (analytical model) to fine tuning of the RF beam pointing (monopulse and conscan). The purpose of this book is to present the implementation of the new theoretical developments in structural dynamics and control theory in the antenna and telescope industry. Also to present the significant improvement in pointing accuracy of the antenna and telescope when the presented techniques are implemented.

This book fills the need in the antenna/telescope control techniques. For long time, since 1990 when the last book was published, there was no publication on the antenna/telescope/radar modeling and control.

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Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Examples of Antennas and Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 NASA Deep Space Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Large Millimeter Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.3 ESA Deep Space Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.4 Atacama Large Millimeter Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.5 Thirty Meter Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.6 Green Bank Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.7 Effelsberg Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Short Description of the Antenna Control System . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Velocity Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Position-Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Antenna and Telescope Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Part I Modeling
2 Analytical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Rigid Antenna Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Structural Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Finite-Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Modal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 State-Space Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Models with Rigid Body Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5 Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Drive Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Motor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Reducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3 Drive Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Velocity Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Drive Parameter Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1 Drive Stiffness Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
xi
xii Contents
2.5.2 Drive Inertia Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Models from Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 White Noise Testing of the Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 Purpose and Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.2 Test Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.3 Test Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.4 Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.5 Basic Relationships for the Discrete-Time Data . . . . . . . . . . . 37
3.2 Identification of the Velocity Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Description of the Velocity Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Identification of the Velocity Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 A Comparison of the Analytical and Identified Models . . . . . 41
3.2.4 Azimuth Model Depends on the Antenna
Elevation Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.5 Fundamental Frequency Depends on Antenna Diameter . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Model Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1 Why Reduction? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Balanced Model Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Modal Model Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.1 Norms of a SingleMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.2 Norms of a Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Antenna Model Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Wind Disturbance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 Steady-State Wind Disturbance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1 Dimensionless Wind Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.2 Obtaining Wind Torques from Field Data . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.3 Comparing Wind Tunnel Results and the Field Data . . . . . . . 56
5.2 Wind Gusts Disturbance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.1 Model of Wind Forces Acting on the Dish . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.2 Model of Wind Torque Acting at the Drives . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.3 Algorithm to Generate a Time Profile of Wind
Gusts Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.4 Model of Wind at the Velocity Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.5 Algorithm to Generate Time Profile of Wind
at the Velocity Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.6 The Equivalence of Wind Torque and Wind
Velocity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.7 Closed Loop Pointing Accuracy with Wind Gusts
Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Contents xiii
Part II Control
6 Preliminaries to Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1 Performance Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Transformations of the Velocity Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.1 Transformation into Modal Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.2 Antenna Position as the First State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.3 Augmentation with the Integral of the Position . . . . . . . . . . . . 78
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7 PI and Feedforward Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.1 Properties of the PI Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.1.1 Closed Loop Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1.2 The Proportional Gain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1.3 The Integral Gain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 PI Controller Tuning Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.3 Closed Loop Equations of a Flexible Antenna
with a PI Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4 Performance of the PI Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4.1 Performance Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4.2 Limits of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.5 Feedforward Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8 LQG Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1 Properties of the LQG Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1.1 LQG Controller Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1.2 Tracking LQG Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.1.3 Closed Loop Equations of the Tracking LQG
Control System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1.4 LQGWeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1.5 Resemblance of the LQG and PI Controllers. . . . . . . . . . . . . . 104
8.1.6 Properties of the LQG Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.1.7 Limits of the LQG Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.2 LQG Controller Tuning Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.3 Performance of the LQG Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.3.1 Summary of the Antenna Servo Performance
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.3.2 Performance of the DSN Antennas
with LQG Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.3.3 Disturbance Rejection Properties and the Position-Loop
Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3.4 Performance Comparison of the PI and LQG Controllers . . . 115
8.3.5 Limits of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
xiv Contents
8.4 Tuning a LQG Controller Using GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.4.1 Selecting LQGWeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.4.2 GUI for the LQG Controller Tuning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.4.3 Fine Tuning of the LQG Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.5 LQG Controller in the Velocity Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.5.1 Position Loop Bandwidth Depends on the Velocity Loop . . . 124
8.5.2 Four Control Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.5.3 PP Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.5.4 PL Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.5.5 LP Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.6 LL Control System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9 H∞ Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.1 Definition and Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.2 Tracking H∞ Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3 Closed-Loop Equations of the Tracking H∞ Controller . . . . . . . . . . . . 138
9.4 34-M Antenna Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.5 Limits of Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10 Single Loop Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.1 Rigid Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.1.1 Rigid Antenna with Velocity and Position Loops . . . . . . . . . . 145
10.1.2 Rigid Antenna with Position Loop Only . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.1.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.2 34-M Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11 Non-Linear Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.1 Velocity and Acceleration Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.1.1 Command Preprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.1.2 Anti-Windup Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.2 Friction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.2.1 Dry Friction Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
11.2.2 Low-Velocity Tracking Using Dither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
11.2.3 Non-linear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11.3 Backlash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11.3.1 Backlash and Its Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.3.2 The Velocity Loop Model with Friction and Backlash . . . . . . 177
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
12 RF Beam Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
12.1 Selecting the RF Beam Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
12.2Monopulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Contents xv
12.2.1 Command following. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
12.2.2 Disturbance Rejection Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
12.2.3 Stability Due to the Gain Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
12.2.4 Performance Simulations: Linear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
12.2.5 Performance Simulations: Nonlinear Model . . . . . . . . . . . . . . 191
12.3 Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
12.3.1 Conical Scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
12.3.2 SlidingWindow Conscan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.3.3 Lissajous Scan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.3.4 Rosette Scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.3.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13 Track-Level Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.1 Description of the Track-Level Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.2Collection and Processing of the Inclinometer Data . . . . . . . . . . . . . . . 213
13.3Estimating Azimuth Axis Tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
13.4Creating the TLC Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13.5Determining Pointing Errors from the TLC Table. . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.6 Antenna Pointing Improvement Using the TLC Table . . . . . . . . . . . . . 221
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Modeling and Control of Antennas and Telescopes.part1

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[ 本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-23 23:40 编辑 ]

Modeling and Control of Antennas and Telescopes.part2

Thank you for the job,just wait for downloading

好书！  感谢！！！！！！！！！！！！！！！

感谢楼主分享
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多谢楼主分享
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这本书好书啊！！！很工程的样子，很多的天线书籍其实都是太学院了，感谢楼主。

thanks very much!!!!!!!!!!!!!!!

谢谢斑竹！！！！！！！！！！！！！！！！

楼主总是给人惊喜啊

好书支持楼主啊

好書

感謝樓主大大分享

推一個!

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新書~~~
看來真是感謝樓主的分享呦

thank you for your sharing:11bb

含泪支持!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

好书，谢谢楼主，辛苦了，继续！！

think you very much!

这本书好书啊！！！很工程的样子，很多的天线书籍其实都是太学院了，感谢楼主。

:27bb 5# drjiachen

多谢楼主分享，好书

xie xie lu zhu

Thank you for your sharing

{:7_1234:}

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多谢分享！

thank you so much!

谢谢哥们提供的资料

学习学习

谢谢分享

这个好像很高科技的样子

这本书好书啊xiexiel

看一下什么内容，谢谢了。

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很好的东西啊，慢慢看了！

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谢谢慷慨的楼主

好书啊{:7_1235:}

难得的出 谢谢

谢谢楼主分享，好好学习一下

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Thank you Thank you

感谢楼主分享

let me see

不是很了解 看一下

谢谢分享

谢谢分享！

Thanks