طراحی کنترلر تطبیقی وضعیت ماهواره مبتنی بر «سنتز کنترل کمینه غیرمتمرکز» با لحاظ مدل دقیق چرخ عکس‌العملی

نوع مقاله: مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشکدة مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 پژوهشکدة علوم و فناوری هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در این مقاله، یک کنترل‌کننده تطبیقی مبتنی بر سنتز کنترل کمینه غیرمتمرکز DMCS (Decentralized Minimal Control Synthesis) برای کنترل وضعیت ماهواره سنجش از دور نمونه طراحی شده است. هدف از طراحی این کنترل‌کننده، انجام مانورهای چرخشی سه محوره با زوایای بزرگ، دست‌یابی به سیستم پایدار و ردیابی مسیر مرجع وضعیت درحضور عدم‌قطعیت پارامترهای ممان اینرسی ماهواره است. در طراحی این کنترل‌کننده اثر اغتشاشات داخلی و خارجی، کوپلینگ‌های غیرخطی در دینامیک ماهواره و مدل دقیق عملگرها مدنظر قرار گرفته است. عملگرهای کنترلی مورد استفاده برای اجرای مانور وضعیت ماهواره چهار چرخ عکس‌العملی و با ساختار هرمیاست. لذا مدل دقیق چرخ‌های عکس‌العملی با در نظر گرفتن حداکثر ولتاژ، جریان، سرعت‌های زاویه‌ای مجاز و توان چرخ در طراحی کنترل‌کننده منظور شده است. عملکرد کنترل‌کننده طراحی شده از طریق شبیه‌سازی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. نتایج شبیه‌سازی بیانگر کارایی مطلوب کنترل‌کننده وضعیت طراحی شده در حضور مدل دقیق چرخ‌های عکس‌العملی، اغتشاشات داخلی و خارجی و عدم‌قطعیت در پارامترهای مدل ماهواره است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Satellite Adaptive Attitude Control Based on Decentralized Minimal Control in the Presence of Reaction wheel Accurate Model

نویسندگان [English]

  • Z. Samadi Khoshkho 1
  • M. Mortazavi-Bek 1
  • F. Fani Saberi 2
چکیده [English]

In this paper, an adaptive controller based on decentralized minimal control synthesis is designed n order to control an attitude of specific remote sensing satellite. The main design purposes are performing spinning, three axis and large angle maneuver as well as achieving a stable system and tracking the reference attitude trajectory in the presence of uncertainties. In the design process, the effects of internal and external disturbances, nonlinearities in the satellite dynamic and the accurate model of actuators are regarded. Four reaction wheels with pyramidal structure are modeled as the actuators to accomplish an attitude maneuver. So the exact reaction wheels’ model with regarding the maximum voltage, current, allowable angular velocities and power of wheels is developed. The simulation results show an acceptable performance of controller in the presence of exacts actuators’ model, external and internal disturbances and uncertainties in the satellite parameters. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adaptive attitude control
  • Reaction wheel model
  • satellite
  • Uncertainty and actuator saturation

[1] Luo W., Chu, Y. C., and Ling K.V., “Inverse Optimal Adaptive Control for Attitude Tracking of Spacecraft,” IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 50, No. 11, 2005, pp. 1639–1654.

[2] Slotine, J. J. E., and Li W.P., Applied Nonlinear Control, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1991.

[3] Behal, A., Dawson, D., Zergeroglu, E., and Fang, Y., “Nonlinear Trackingcontrol of an Underactuated Spacecraft,” J. Guid., Control Dyna., Vol. 25,No. 5, 2002, pp. 979–985.

[4] Boˇskovic´, J. D., Li, S.-M., and Mehra, R. K., “Robust Adaptive Variable Structure Control of Spacecraft under Input Saturation,” J. Guid., ControlDyna., Vol. 24, No.1, 2001, pp. 14–22.

[5] Boˇskovic´, J. D., Li, S.M., and Mehra, R. K., “Robust Tracking Control Design for Spacecraft under Control Input Saturation,”AIAA Journal of Guidance, Control & Dynamics, Vol.27, No.4, 2004, pp. 627-633.

[6] Xing, G. Q. and Parvez, A. S., “Nonlinear Attitude State Tracking Control for Spacecraft,” J. Guid., Control Dyna., Vol.24, No.3, 2001, pp. 624–626.

[7] Sharma, R. and Tewari, A., “Optimal Nonlinear Tracking of Spacecraft Attitude Maneuvers,” IEEE Trans. Control Syst. Technol., Vol. 12, No. 5, 2004, pp. 677–682.

[8] Krstic´, M., Kanellakopoulos, I. and Kokotovic, P., Nonlinear and Adaptive Control Design,New York: Wiley, 1995.

[9] Osborn, P. V., Whitaker, H. P. and Keezer, A, “New Developments in the Design of Adaptive Control Systems,”29th Annual Meeting ofthe Institute of Aeronautical Sciences, New York, No. 61-39, 1996.

[10] Popov, V. M., “Hyperstability of AUlOmatic Control Systems”, New York: Springer-Verlag, 1973.

[11] Thawar, T., “Adaptive Control of Rigid Body Satellite,”International Journal of Automation and Computing, Vol. 5, No. 3, 2008, pp. 296-306.

[12] Bolandi, H., Saberi, F., and Ghorbani, B, “Designof A Supervisory Adaptive Attitude Control (SAAC) System for A Stereo-Imaginary Satellite Based on Multiple Model Control With Switching,”International Journal of Innovative Computing, Information and Control, Vol. 6, No.  9, 2010, pp. 1–09-0365.

[13] Wertz, J. R., Spacecraft Attitude Determination and Control, D. Reidel, Dordrecht, New York, 1980.

[14] Van Den Bosch, P., Jongkind, W. and Swieten, A., “Adaptive Attitude Control for Large-angle Slew Maneuvers,” Automatica, Vol. 22, No. 2, 1986, pp. 209–215.

[15] Benchoubane, H., Stoten, D. P., “The Decentralized Minimal Controller Synthesis Algorithm,”International Journal of Control, Vol. 56, 1992, No. 4, pp. 967–983.

[16] Bolandi, H., Saberi, F., and Eslami,A, “Designof A Attitude Control System for A Satellite with accurate modeling of Reaction Wheels as actuators,”Journal of aerospace science and technology, No. 1, 2012, pp. 20.

[17] Shengmin, Ge., Hao, Ch., “A Comparative Design of Satellite Attitude Control System with Reaction Wheel,” Proceedings of the First NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems, IEEE, 2006.

[18] Masteron, R.A., Miller, D.W. and Grogan, R.L., “Development and Validation of Reaction Wheel Disturbance Models: Empirical Model,” Journal of Sound and Vibration,Vol. 249, No. 3, 2002, pp. 575-598.

[19] Azarnoush, H., “Fault Diagnosis in Spacecraft Attitude Control System,”(M.S Thesis), Concordia University, Canada, 2005.