28184

طراحي سيستم كنترل وضعيت ماهواره انعطاف‌پذير با رويكرد كنترل پيشبين مدل مقاوم مبتني بر تيوب با پايداري لياپانف افزايشي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا - فناوري ماهواره

1398

1401/11/24

دكتر حسين بلندي

دكتر بهمن قرباني واقعي

فناوري هاي نوين

افزايش ابعاد برخي از ملحقات ماهواره¬ها به بدنه صلب مانند پنل¬هاي خورشيدي، آنتن¬هاي بزرگ مخابراتي و بوم¬ها، ربات¬هاي تعميركار و ...، باعث انعطاف¬پذير شدن آن¬ها خواهد شد. اين امر، به دليل پيچيده‌تر بودن ماموريت‌هاي فضايي و استفاده از ساختارهاي متحرك سبك در ماهواره¬ها است. تعامل اين قطعات با بدنه صلب، ديناميك ماهواره¬هاي منعطف را پيچيده¬تر از ماهواره صلب مي¬كند. ماهواره‌هاي انعطاف‌پذير، علاوه‌بر غيرخطي گري‌ها و نامعيني‌هاي ذاتي ماهواره صلب، با غيرخطي‌گري‌ها و نامعيني‌هاي ناشي از ملحقات انعطاف‌پذير نيز مواجه هستند كه اين امر پيچيدگي كنترل اين ماهواره‌ها را افزايش مي‌دهد. تجهيزات انعطاف-پذير در طول مانورها و مواجهه با اغتشاشات باعث ايجاد ارتعاشاتي روي بدنه صلب ماهواره خواهند شد، كه اين امر منجر به كاهش دقت كنترل وضعيت ماموريت¬هايي نظير تصوير¬برداري مي¬شوند. كاهش ارتعاشات مبحثي چالش برانگيز براي طراحان فضاپيماها و ماهواره¬ها مي¬باشد. بنابراين سيستم كنترلي مناسب براي ماهواره¬هاي انعطاف¬پذير بايد قادر باشد ضمن تضمين عملكرد بالا، اين نامعيني¬ها و رفتارهاي غيرخطي ذاتي را نيز تحمل نمايد. همچنين قابليت اقناي قيود عملياتي و فيزيكي در طراحي سيستم كنترلي و اتخاذ تصميمات كنترلي بهينه با توجه به محدوديت¬هاي منابع موجود در پروژه¬هاي فضايي، از اهميت بسياري برخوردارند. در اين رساله، سيستم كنترل وضعيت پيشنهادي براي يك ماهواره انعطاف¬پذير قابليت مقابله با نامعيني¬ در ماتريس ممان اينرسي ماهواره انعطاف¬پذير، مقابله با غيرخطي¬گري¬هاي ذاتي ماهواره¬هاي انعطاف¬پذير، اتخاذ تصميمات كنترلي با رويكرد بهينه، قابليت لحاظ نمودن قيود فيزيكي و عملياتي را خواهد داشت. نشان خواهيم داد كه با استفاده از كنترل‌كننده پيشبين مدل مقاوم مبتني بر تيوب مي¬توان اهداف مورد نظر در اين رساله را محقق نمود. ماهواره انعطاف¬پذير مورد نظر مجهز به پنل¬هاي خورشيدي مي‌باشد. پنل¬هاي خورشيدي با تحريك مودهاي انعطاف-پذير (به ويژه در حين مانورهاي عملياتي) مرتعش خواهند شد كه اين مسئله در ممان اينرسي و ديناميك ماهواره، نامعيني ايجاد مي¬نمايد. بنابراين ممان اينرسي ماهواره نامعين در نظر گرفته خواهد شد و سيستم كنترل پيشبين مدل مقاوم مبتني بر تيوب به نحوي طراحي خواهد شد كه قادر به تحمل اين نامعيني و همچنين غيرخطي¬گري¬هاي ذاتي باشد. از سوي ديگر، به منظور اتخاذ تصميمات كنترلي با رويكرد بهينه و قابليت لحاظ نمودن قيود فيزيكي و عملياتي، مسئله بهينه¬سازي در كنترل¬كننده پيشبين مدل مبتني بر تيوب به نحوي تعريف خواهد شد كه علاوه بر تضمين بهينگي تصميمات كنترلي با توجه به الزامات ماموريت، اقناي قيود فيزيكي و عملياتي را نيز تضمين نمايد.

1402/01/29

Designing a flexible satellite attitude control system with a Tube-based robust model predictive control approach with incremental Lyapunov stability

2/13/2024 12:00:00 AM

Increasing the dimensions of some satellites' appendices to a rigid body, such as solar panels, large telecommunication antennas and booms, repair robots, etc., will make them flexible. This is due to the more complex space missions and the use of light mobile structures in satellites. The interaction of these parts with the rigid body makes the dynamics of flexible satellites more complicated than rigid satellites. In addition to the inherent nonlinearities and uncertainties of rigid satellites, flexible satellites also face nonlinearities and uncertainties caused by flexible attachments, which increases the complexity of controlling these satellites. Flexible equipment during maneuvers and encountering disturbances will cause vibrations on the rigid body of the satellite, which will lead to a decrease in the attitude control accuracy of missions such as imaging. Reducing vibrations is a challenging topic for spacecraft and satellite designers. Therefore, a suitable control system for flexible satellites must be able to tolerate these inherent uncertainties and nonlinear behaviors while guaranteeing high performance. Also, the ability to satisfy the operational and physical constraints in the design of the control system and to make optimal control decisions according to the constraints of the available resources in space projects are very important. In this thesis, the proposed attitude control system for a flexible satellite is capable of dealing with uncertainty in the moment of inertia matrix of the flexible satellite, dealing with the inherent nonlinearities of flexible satellites, making control decisions with an optimal approach, the ability to consider physical and operational constraints. We will show that this thesis's goals can be achieved by using the tube-based robust model predictive controller. The desired flexible satellite is equipped with solar panels. Solar panels will vibrate by stimulating flexible modes (especially during operational maneuvers), which creates uncertainty in the moment of inertia and dynamics of the satellite. Therefore, the moment of inertia of the satellite will be considered uncertain, and the tube-based robust model predictive control system will be designed in a way that is able to tolerate this uncertainty as well as inherent nonlinearities. On the other hand, in order to make control decisions with an optimal approach and the ability to consider physical and operational constraints, the optimization problem in the tube-based model predictive controller will be defined in such a way that in addition to guaranteeing the optimality of control decisions according to the mission requirements, It also guarantees the satisfaction of physical and operational constraints.

ماهواره انعطاف‌پذير , كنترل پيشبين مقاوم تيوب , كنترل وضعيت , پايداري لياپانف افزايشي

flexible satellite , attitude control , tube robust model predictive control , incremental lyapunov stability

Sina Fakhrifar

Dr. Hossein Bolandi