کنترل متغیرهای حالت سرعت و سرعت زاویه ای یک فضاپیما با استفاده از کنترل مبتنی بر نظریه مقاوم غیرفعال بودن

نوع مقاله: مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شیراز - مهندسی برق و الکترونیک

2 دانشگاه صنعتی شیراز

چکیده

در این مقاله مسئله پایداری مجانبی برای متغیرهای حالت سرعت و سرعت زاویه­ای یک فضاپیما در حضور عدم قطعیت­ها و اغتشاشات خارجی مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از مهمترین روش­ها در طراحی کنترل‌کننده برای سیستم­های غیرخطی طراحی بر اساس مفهوم غیرفعال بودن است. این مفهوم ابزار مناسبی برای آنالیز سیستم­های غیرخطی فراهم می­آورد، همچنین برای پایدارسازی مجانبی سیستم­های دینامیکی غیرخطی، به‌خصوص سیستم­های مکانیکی مورد استفاده قرار می­گیرد. قانون کنترل مبتنی بر نظریه غیرفعال بودن، یک فیدبک خروجی استاتیکی است که دارای ویژگی­های ارزشمندی است. به دلیل وجود عدم قطعیت‌ها و اغتشاشات خارجی در معادلات فضای حالت سیستم­های فیزیکی، ابتدا نسخه مقاوم روش کنترل مبتنی بر نظریه غیرفعال بودن ارائه می­شود و قانون کنترل برای سیستم­های غیرخطی دارای عدم قطعیت با ساختار آفاین ارائه خواهد شد. سپس از این روش برای طراحی قانون کنترلی برای یک فضاپیما استفاده می‌شود. از آنجا که در این مقاله پایدارسازی فقط برای متغیرهای حالت سرعت و سرعت زاویه­ای فضاپیما انجام شده است، لذا مدل کاهش مرتبه یافته از فرم فضای حالت یک فضاپیمای شش درجه آزادی استخراج شده است و سپس قانون کنترلی مقاوم برای آن طراحی شده است. شبیه‌سازی­های کامپیوتری کارایی کنترل‌کننده پیشنهادی را در مورد پایدارسازی مجانبی مقاوم متغیرهای حالت سرعت و سرعت زاویه­ای فضاپیما در حضور عدم قطعیت­ها و اغتشاشات خارجی نشان می­ دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Velocity and Body Rate Control of a Spacecraft Using Robust Passivity-Based Control

نویسندگان [English]

  • Hamed Chenarani 1
  • Tahereh Binazadeh 2
  • Mohammad Hosein Shafiei 2
1 - School of Electrical and Electronic Engineering. Shiraz university of Technology
چکیده [English]

This paper considers the problem of asymptotic stabilizing of velocity and body rates of a spacecraft in the presence of uncertainties and external disturbances. One of the important methods in controller design for nonlinear systems; is designing based on the passivity concept. This concept which provides a useful tool for analysis of nonlinear systems has been also used for asymptotic stabilizing of nonlinear dynamical systems especially mechanical systems. The passivity-based control law is a static output feedback and has valuable features. Because of existence of uncertainties and external disturbances in the state-space of equations of physical systems; first the robust version of passivity-based control method, which is recently developed in literature, is given and the control law for nonlinear uncertain systems with affine structure is presented. Then, this approach is used in controller design for a spacecraft. Since, this paper considers only the stabilization of velocity and body rates, therefore the reduced-order model is extracted from the state-space equation of a spacecraft with six degree of freedom and then the robust control law is designed. Computer simulations show the efficiency of the proposed controller in robust asymptotic stabilizing of the velocity and body rate vectors of the spacecraft in the presence of uncertainties and external disturbances.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Passivity-based control
  • Robust stabilization
  • Spacecraft

[1]  Terui, F., “Position and Attitude Control of a Spacecraft by Sliding mode Contro,l” Proceedings of the American Controls Conference, Vol. 1, pp. 217-221,1998.

[2]  Stansbery, D.T. and Cloutier, J.R., “Position and attitude control of a spacecraft using the state-dependent Riccati equation technique,” Proceedings of the American Controls Conference, Chicago, lllinois, Vol. 3, pp. 1867-1871, Jun. 2000.

[3]  Cong, B., Liu, X. and Chen, Z., “Backstepping based adaptive sliding mode control for spacecraft attitude maneuvers,” American Controls Conference, UK, Cardiff, pp. 3-5, Sep. 2012.

[4]  Boskovic, J.D., Li, S-M. and Mehra, R.K., “Robust tracking control design for spacecraft under control input saturation,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 27, No. 4, 2004, pp. 627-633.

[5]  Kotsamran, K. and Pukdeboon, C., “Robust Control with Finite Time Convergence for Flexible Spacecraft Attitude Tracking,” KMITL Sci. Tech, Vol. 12, No. 2, 2012.

[6]  Wang, J. and Sun, Z., “6-DOF robust adaptive terminal sliding mode control for spacecraft formation flying,” ActaAstronautica, Vol. 73, 2012, pp. 76-87.

[7]  Binazadeh, T. and Yazdanpanah, M.J., “Application of Passivity Based Control for Partial Stabilization,” Nonlinear Dynamics and Systems Theory, Vol. 11, No. 4, pp.373–382, 2011.

[8]  Byrnes, C.I.,Isidori, A. and Willems, J.C., “Passivity, Feedback Equivalence, and the Global Stabilization of Minimum Phase Nonlinear Systems,” IEEE Transaction Automatic Control, Vol.36, No.11, 1991, pp. 1228-1240.

[9]  Khalil, H.K., Nonlinear systems, 3rd ed, Prentice hall, 2002.

[10]   Slotine, J-J.E. and Li, W., Applied nonlinear control, Prentice hall, 1991.

[11]   Bao, J. and Lee, P., Process control: the passive systems approach, Springer, 2007.

[12]  Travieso‐Torres, J.C., Duarte‐Mermoud, M.A. and Sepuleveda, D.I., “Passivity‐based control for stabilization, regulation and tracking purposes of a class of  nonlinear  systems,” International Journal of adaptive control and signal processing, Vol. 21, No. 7, 2007, pp. 582-602.

[13]   Mahmoud, M.S. and Abdulla, I., “Passivity and passification of time-delay systems”, Journal of Mathematical Analysis and Applications, Vol. 292, No.1, 2004, pp. 247-258.

[14]   Koshkouei, A. J., “Passivity-based sliding mode control for nonlinear systems,” International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, Vol. 22, 2008, pp.859-874.

[15]   Wu, Z., Xie, X. and Shi, P., “Robust adaptive output-feedback control for nonlinear systems with output unmodeled dynamics”, International Journal of Robust And Nonlinear Control, Vol. 18, 2008, pp. 1162-1187.

[16]   Lin, W. and Shen, T., “Robust passivity and feedback design for minimum-phase nonlinear systems with structureal uncertainty”,  Automatica, Vol. 35, No.1, 1999, pp. 35-47.

[17]   Tsai, C.C. and Wu, H.L., “Robust passivity-based control of weakly minimum phase nonlinear uncertain systems: An application to manipulator”, Asian Control Conference, pp. 919-924, Aug. 2009.

[18]   Liu, Z., Su, H. and Pan, S., “Passivity-based Adaptive Integral Sliding Mode Control of Uncertain Nonlinear Systems”, Proceedings of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation,pp. 3939-3944, July. 2010.

[19]   Bi, M.D., Wang, L. and Zhao, Y., “On the operator and passivity based robust control for robot manipulator”, Proceedings of the International Conference on Advanced Mechanical Systems, Tokyo, Japan, 2012, pp. 185-189.

[20]   Liu, W.,Wang, Z. and Chen, G., “Passivity-based observer design and robust output feedback control for nonlinear uncertain systems”, Control Conference, 2013, pp. 1-6.