کنترل بهینة غیرخطی وسایل بازگشت‌پذیر بر پایه استخراج ماتریس‌های سیستمی وابسته به متغیرهای حالت و کنترل در فرم فضای حالت

نوع مقاله: مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشگاه مالک اشتر

2 مدیر مرکز ماهواره و فضاپیما، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 استادیار دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در مأموریت‌های فضایی وسایل بازگشت‌پذیر (Reentry Vehicle)، فاز بازگشت به جو از مهمترین مراحل مأموریت می‌باشد. به همین دلیل، هدایت و کنترل وسیلة بازگشت‌پذیردر این فاز مأموریت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله یک الگوی هدایت و کنترل بهینه‌ برای وسایل بازگشت‌پذیر ارائه می‌شود که در برابر عدم قطعیت در پارامترهای ورودی مقاوم باشد. برای استفاده از هر نوع روش هدایتی، ابتدا باید معادلات حرکت وسیله را به‌دست آورد. در این مقاله از روش کنترل غیرخطی کوادراتیک برای هدایت مسیر استفاده می‌شود. در همین راستا هدف از انجام این مقاله توسعة معادلات حرکت وسایل بازگشت‌پذیر به فرم فضای حالت و استخراج ماتریس‌های سیستمی و کنترلی وابسته به متغیرهای حالت و کنترل می‌باشد. در این مقاله سعی شده است تا با استفاده از کنترلر غیرخطی کوادراتیک و تعقیب یک مسیر مرجع، خطای برخورد وسیلة بازگشتی در نقطة پایانی حداقل شود. بدین منظور برای یک مسیر مشخص با پارامترهای ورودی مختلف، با استفاده از روش تکاملی الگوریتم ژنتیک برای کاهش خطای برخورد در نقطة پایانی با تغییرات ماتریس‌های وزنی Q و R تلاش شده است. برای بررسی و امتحان صحت این روش از طریق آنالیز مونت کارلو، این روش برای 1000 مسیر مختلف تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از توسعة ماتریس‌های سیستمی وابسته به متغیرهای حالت و کنترل، خطای برخورد در حضور عدم قطعیت‌های پارامترهای ورود 90% بهبود می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Nonlinear Optimal Control of Reentry Vehicles Based on Deriving the State and Control Depended Systematic Matrices in State Space Form

نویسندگان [English]

  • atefeh hoseinzadeh 1
  • Amirhossain Adami 2
  • Asghar Ebrahimi 3
1 Malek Ashtar University of Technology
2 Satellite & LV center, Aerospace Department, Malek Ashtar University of Technology
3 Associate Professor Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

The atmospheric reentry phase is one of the most important mission steps in space missions, therefore, the guidance and control of reentry vehicles in this phase of mission is important. In this article, a reentry vehicle guidance algorithm is proposed which has suitable robustness in the presence of initial reentry parameters uncertainty. To use any conductive method, first the motion equations must be obtained. In this paper, quadratic nonlinear control method is used to guide the vehicle. In this regard, the equations of motion of reentry vehicles are developed in form of state space and the system and control matrices depending on the state and control variables are extracted. In this article, it is tried to minimize the landing errors at terminal point using Nonlinear Quadratic Tracking (NQT) and chasing a reference trajectory. In order to define a trajectory with different initial states using evolutionary genetic algorithm with changes in weighting matrices Q and R, it is tried to reduce the errors of landing at terminal point. Monte Carlo analysis is used to evaluate the performance of the proposed algorithm. According to the results, the proposed algorithm can reduce the errors more than 90% in the presence of reentry initial parameter uncertainties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reentry vehicles
  • Optimal guidance
  • Optimal control
  • Uncertainty
  • Nonlinear Quadratic Tracking (NQT)
  • state space

[1]   Poustini, M.J., Esmaelzadeh, R. and Adami, A.H., “Anew Approach to Trajectory Optimization Based on Direct Transcription and Differential Flatness,” Acta Astronautica, Vol, 107, 2015, pp. 1-13.

[2]   Abbasi, D., Optimal Reentry Guidance Based on Singular Perturbation, (M.Sc. Thesis), Aerospace Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, 2009, (in persian).

[3]   Sabzeh, A., Conceptual Design of a Reentry Vehicle, (M.Sc. Thesis), Aerospace Department, Tehran, Khajeh Nasiredin Toosi, University of Technology, 2010, (in persian).

[4]   Poustini, M., Reentry Trajectory Optimization using Direct Method, (M.Sc. Thesis), Aerospace Department, Malek-ashtar University of Technology, Tehran, 2014, (in persian).

[5]   Barghandan, M., Optimal Guidance and Control of Reentry Vehicle using Combined Methods, (M.Sc. Thesis), Aerospace Department, Tehran, Malek-ashtar University of Technology, 2014, (in persian).

[6]   Abbasi, D. and Mortazavi, M., A New Concept for Atmospheric Reentry Optimal Guidance: An Inverse Problem Inspired Approach, Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2013, Article ID 419409.

[7]    Huifeng, L., Ran, Zh, Zhaoying, L. and Rui, Zh., "Footprint Problem with Angle of Attack Optimization for High Lifting Reentry Vehicle," Chinese Journal of Aeronautics,Vol. 25, 2012, pp. 243-251.

[8]   Susan Babu, R., Rajeev, U. P. and Lethakumari, R. "Hybrid Guidance Algorithm using Flatness and Dynamic Inversion for RLV," Third International Conference on Advances in Control and Optimization of Dynamical Systems, Kanpur, India , 2014.

[9]   Sushnigdha, G. and­ Joshi, A., "Evolutionary Method Based Hybrid Entry Guidance Strategy for Reentry Vehicles," IFAC-PapersOnLine 49-5 , 2016, pp. 339–344.­

[10]     Hu, Y., Liu, J. and Liu, B., "Trajectory planning of free-floating space robot using particle swarm optimization (PSO)", Acta Astronaut, Vol. 112, 2015, pp. 77–88.

[11]     Wua, Y., Yao, J. and Qu, X., "An adaptive reentry guidance method considering the influence of blackout zone", Acta Astronautica,Vol. 142, 2018, pp. 253–264.

[12]     Wingrove, R.C. "Survey of atmosphere re-entry guidance and control methods", AIAA J., Vol. 1, No 9, 2015, pp. 2019–2029.

[13]     Muylaert, j. and etal. “Flight Experiments for Hypersonic Vehicle Development Expert”, RTO AVT Lecture Series on Critical Technologies for Hypersonic Vehicle Development, 2004.

[14]     Siouris, G. and Missile, M., Guidance and Control Systems, New York: Springer, 2003.

[15]     Desineni Subbaram, N., Optimal Control Systems, Idaho, USA: CRC Press, 2002.