کنترل وضعیت ماهواره‌ی کوچک دارای کمبود عملگر با استفاده از کنترل پیش‌بین مدل

Document Type : Original Article

Authors

1 Faculty of New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, IRAN

2 Department of New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University

10.22034/jast.2020.122288

Abstract

استفاده از ماهواره‌های دارای ابعاد کوچک به دلیل پایین بودن هزینه‌های عملیاتی مورد توجه بوده و طراحی زیر سیستم کنترل وضعیت برای این نوع ماهواره‌ها با توجه به محدودیت‌های عملگر مسئله مهمی است. در این مقاله ماهواره مورد بحث تنها دارای دو عملگر است، به طوری که در طول ماموریت یکی از عملگرهای آن دچار خرابی شده است. در نتیجه زیرسیستم کنترل وضعیت آن تنها دارای دو عملگر چرخ عکس‌العملی است. کنترلرهای کلاسیک توانایی کنترل چنین سیستمی را ندارند و با توجه به محدودیت عملگر و منابع انرژی در ماهواره‌های کوچک، بر اساس ماهیت غیرخطی معادلات و در نظر گرفتن اثرات کوپلینگ، در این مقاله از کنترل پیش‌بین مدل استفاده شده و قیود ورودی و کنترلی در آن ارضا شده است. برای بهینه‌سازی تابع هزینه در این الگوریتم یک بهینه‌ساز غیرمحدب غیرخطی با توجه به نوع مسئله در هر گام الگوریتم کنترلی در نظر گرفته شده است. شبیه‌سازی‌ها برای یک نمونه ماهواره‌ در زوایای کوچک و بزرگ وضعیت انجام شده و رسیدن به مقدار مرجع تضمین شده است

Keywords


Article Title [فارسی]

کنترل وضعیت ماهواره‌ی کوچک دارای کمبود عملگر با استفاده از کنترل پیش‌بین مدل

Authors [فارسی]

  • محمد نوابی 1
  • پوریا زارعی 2
1 دانشکده مهندسی فناوریهای نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی فناورهای نوین، دانشگاه شهید بهشتی
Abstract [فارسی]

ستفاده از ماهواره‌های دارای ابعاد کوچک به دلیل پایین بودن هزینه‌های عملیاتی مورد توجه بوده و طراحی زیر سیستم کنترل وضعیت برای این نوع ماهواره‌ها با توجه به محدودیت‌های عملگر مسئله مهمی است. در این مقاله ماهواره مورد بحث تنها دارای دو عملگر است، به طوری که در طول ماموریت یکی از عملگرهای آن دچار خرابی شده است. در نتیجه زیرسیستم کنترل وضعیت آن تنها دارای دو عملگر چرخ عکس‌العملی است. کنترلرهای کلاسیک توانایی کنترل چنین سیستمی را ندارند و با توجه به محدودیت عملگر و منابع انرژی در ماهواره‌های کوچک، بر اساس ماهیت غیرخطی معادلات و در نظر گرفتن اثرات کوپلینگ، در این مقاله از کنترل پیش‌بین مدل استفاده شده و قیود ورودی و کنترلی در آن ارضا شده است. برای بهینه‌سازی تابع هزینه در این الگوریتم یک بهینه‌ساز غیرمحدب غیرخطی با توجه به نوع مسئله در هر گام الگوریتم کنترلی در نظر گرفته شده است. شبیه‌سازی‌ها برای یک نمونه ماهواره‌ در زوایای کوچک و بزرگ وضعیت انجام شده و رسیدن به مقدار مرجع تضمین شده است

Keywords [فارسی]

  • کنترل وضعیت
  • کنترل پیش‌بین
  • کمبود عملگر
[1]    P. Tsiotras and V. Doumtchenko, “Control of spacecraft subject to actuator failures: State-of-the-art and open problems,” Adv. Astronaut. Sci., vol. 106, pp. 325–351, 2000.
[2]    H. Li, W. Yan, and Y. Shi, “Continuous-time model predictive control of under-actuated spacecraft with bounded control torques, ” Automatica, vol. 75, pp. 144-153, 2017.
[3]    A. Zavoli, G. De Matteis, F. Giulietti, and G. Avanzini, “Single-axis pointing of an underactuated spacecraft equipped with two reaction wheels,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 40, pp. 1-7, 2017.
[4]    J. Jin, “Attitude control of underactuated and momentum-biased satellite using state-dependent riccati equation method,” International Journal of Aeronautical and Space Sciences, vol. 20, 2018.
[5]  A. Frias, A. Ruiter, and K. Kumar, “Velocity-free spacecraft attitude stabilization using two control torques, ” Automatica, vol. 109, pp. 1-8, 2019.
[6]    E. F. Camacho and C. Bordons, Model Predictive control. London: Springer London, 2007.
[7]    J. L. Crassidis, F. L. Markley, T. C. Anthony, and S. F. Andrews, “Nonlinear predictive control of spacecraft,” J. Guid. Control. Dyn., vol. 20, no. 6, pp. 1096–1103, 1997.
[8]    J. T. Wen, S. Seereeram, and D. S. Bayard, “Nonlinear predictive control applied to spacecraft attitude control,” Proc. Am. Control Conf., vol. 3, pp. 1899–1903, 1997.
[9]    Q. Hegrenæs, J. T. Gravdahl, and P. Tondel, “Spacecraft attitude control using explicit model predictive control,” Automatica, vol. 41, no. 12, pp. 2107–2114, 2005.
[10] R. Gupta, “Constrained Spacecraft Attitude Control on SO (3) Using Fast,” pp. 2980–2986, 2015.
[11] H. Myung, H. Bang, C. Oh, and M. J. Tahk, “Nonlinear predictive attitude control of spacecraft under external disturbance,” IFAC Proc, vol. 15, no. 1, pp. 211–215, 2002.
[12] J. Kim, Y. Jung, and H. Bang, “Linear time-varying model predictive control of magnetically actuated satellites in elliptic orbits,” Acta Astronaut., vol. 151, pp. 791–804, 2018.
[13] M. Navabi, N. Nasiri, and M. Dehghan, “Modeling and numerical simulation of linear and nonlinear spacecraft attitude dynamics and gravity gradient moments: A comparative study,” Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., vol. 17, no. 2, pp. 1065–1084, 2012.
[14] M. J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.
[15] L. Grüne and J. Pannek, Nonlinear Model Predictive Control. Cham: Springer International Publishing, 2017.
[16]Y. Ikeda, “Discrete-time nonlinear attitude tracking control of spacecraft,” in 2017 Asian Control Conference, ASCC, pp. 617–622, 2018.