Implementierung einer autonomen Temperaturregelungssoftware eines Radars mit synthetischer Apertur für eine hochfliegende Plattform

Kurzfassung

Im Rahmen der Bachelorarbeit wird eine Thermoregulierung für ein auf einer autonom fliegenden Höhenplattform betriebenes Radar mit synthetischer Apertur (engl.: High Altitude Platform Synthetic Aperture Radar – HAPSAR) entworfen, softwareseitig implementiert und in verschiedenen Szenarien getestet. Das Ziel der Arbeit liegt im Detail darin, den Hochleistungsverstärker, welcher die Radarsignale verstärkt, durch forcierte Konvektion in der Temperatur zu regulieren. Im späteren Betrieb der Höhenplattform strömt an der Vorderseite der Höhenplattform über einen Lufteinlass der Flugwind ein, welcher mittels einer Luftklappe reguliert werden kann. Der Hochleistungsverstärker wird dann mithilfe eines hocheffizienten Kühlkörpers mit Aceton-Wärmerohren, welcher sich in einem Luftkanal befindet, gekühlt. Die Höhenplattform, mitsamt des Radarsystems operieren im späteren Betrieb in etwa 20 km Höhe, sodass Temperatur und Luftdruck deutlich niedriger sind, als in der Entwicklungsumgebung auf dem Boden. Daher wird ein Prototyp aufgebaut, bestehend aus einem Axialventilator an einem Luftkanal, der den Flugwind simuliert, einer Luftklappe innerhalb des Luftkanals zur Steuerung der Luftzufuhr sowie einem Kühlkörper mit einer Heizfolie, die die Abwärme des Hochleistungsverstärkers simuliert. Zur Steuerung der Luftklappe wird ein Servomotor verwendet. Außerdem wird ein Windgeschwindigkeitssensor zur Erfassung der Luftstromgeschwindikeit sowie Temperatursensoren verbaut. Teil der Arbeit ist ebenfalls diese Komponenten über die I2C-, GPIO und RS485-Schnittstellen am Steuerrechner des Radarsystems mit Python anzusteuern und diese Ansteuerungen in die bestehende Client-Server- und Datenbankstruktur des Radarsteuerrechners zu integrieren. Nach der Anforderungsdefinition an den Regler, wird dann das Reglergesetz mithilfe der Ziegler-NicholsTuning Methode und der Sprungantwort des dynamischen Systems entworfen und mithilfe von Windup-Strategie und Stellwertbegrenzer auf die Luftklappe und den Kühlkörper angepasst. Der resultierende PI-Regler wurde dann einerseits getestet durch definierte Schwankungen in der Wärmeleistung zwischen 30 und 45 Watt bei konstanter Umgebungstemperatur und andererseits bei konstanter Leistung und Schwankungen in der Umgebungstemperatur zwischen -15 und 5 °C. Die Analyse der Reglerperformanz zeigte bei diesen Experimenten zufriedenstellende Ergebnisse und konnte die definierten Anforderungen erfüllen. Hierbei ergab sich eine maximale prozentuale Regelabweichung von 1,25% innerhalb der Systemgrenzen. Weiter wurde festgestellt, dass die Systemgrenzen mit einem Umgebungstemperaturspektrum von 10 K oder einem Leistungsspektrum von 10 Watt relativ nahe zusammenliegen. Der implementierte Temperaturregler liefert für den Prototyp zufriedenstellende Ergebnisse, die Thermoregulierung muss aber vor dem tatsächlichen Einsatz in Umgebungsbedingungen getestet werden, die ähnlich zu denen in 20 km Höhe sind.