Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Detailed Algorithm for Implementing Robust Performance Conditions in Presence of Saturation Nonlinearity in QFT Framework

Document Type : Original Research Paper

Author
Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran
Abstract
Controlling a spacecraft’s orbit and attitude is one of the most complicated problems in control engineering due to uncertainties and nonlinearities. Control design methods for dealing with such issues may involve many calculations. Matlab software automates many design methods in its control system toolbox. Many other advanced design methods must also be automated to achieve fast and accurate controller design for more complex control systems. Quantitative feedback theory (QFT), as a powerful method for addressing the complex issues, requires plenty of calculations that make it necessary for the method to be automated. A QFT design toolbox is developed by Tersoft company. However, this toolbox cannot treat some practical issues, such as actuator saturation in its design process. In the QFT framework, saturation can be dealt with by Horowitz architecture or noninterfering loop architecture, containing an inner loop around the saturation element in the control loop. Error overshoot is a common problem with the saturation in control loops. Non-overshoot plant input, non-overshoot plant output and fast-vanishing plant input error are three constraints assumed in literature, to avoid this problem. These constraints can be translated to the constraints on inner loop compensator. This paper presents a comprehensive algorithm for automating the process of obtaining above mentioned constraints, with detailed flowcharts to facilitate software development. To verify the proposed algorithm, the boundary on the saturation loop compensator, for a hydraulic actuator is determined using computer codes implemented in the Matlab environment.
Keywords

Subjects


Article Title Persian

الگوریتم جامع پیاده‌سازی شرایط کارایی مقاوم در حضور عامل ناخطی اشباع در چارچوب QFT

Author Persian

حامد کاشانی
استادیار، پژوهشگاه هوافضا- وزارت علوم تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
Abstract Persian

سامانه‌های هوافضایی به دلیل انعطاف‌پذیری و محرک‌های الکترومکانیکی یا الکتروهیدرولیک اشباع شده با عدم قطعیت و غیرخطی مواجه می‌شوند. روش‌های طراحی کنترل برای مقابله با چنین مشکلاتی متضمن محاسبات زیاد است. برای دستیابی به طراحی کنترل‌کننده سریع و دقیق برای سیستم های کنترل پیچیده‌تر، بسیاری از روش‌های طراحی پیشرفته باید خودکار شوند. نظریه QFT، به عنوان یک روش قدرتمند برای پرداختن به مسائل پیچیده، نیازمند محاسبات فراوانی است که خودکارسازی روش را ضروری می‌سازد. در چارچوب QFT، اشباع را می‌توان با معماری هوروویتز یا معماری بدون تداخل، شامل یک حلقه داخلی در اطراف المان اشباع در حلقه کنترل، بررسی کرد. فراجهش خطا یک مشکل رایج در حلقه‌های کنترل دارای اشباع است. ورودی سامانه بدون فراجهش، خروجی سامانه بدون فراجهش وسرعت کاهش خطای ورودی سامانه سه شرطی هستند که در مقالات برای جلوگیری از این مشکل فرض شده‌اند. این شرطها را می‌توان به شرطهایی روی جبران‌ساز حلقه داخلی نگاشت کرد. این مقاله یک الگوریتم جامع برای خودکارسازی فرآیند به دست آوردن شرطهای ذکر شده در بالا، با فلوچارت‌های دقیق برای تسهیل توسعه نرم‌افزار ارائه می‌کند. برای بررسی الگوریتم پیشنهادی، مرز جبران‌کننده حلقه اشباع، برای یک محرک هیدرولیکی با استفاده از کدهای کامپیوتری پیاده‌سازی شده در محیط Matlab تعیین می‌شود. نتایج میانی و نهایی برای پیگیری محاسبات، مرحله به مرحله ارائه می‌شود. در نهایت، درستی مرز حاصل با قرار دادن نقاط آن در عبارت ریاضی شرطها و مشاهده اینکه آیا نقاط حاصل شرطها را برآورده می‌کنند، بررسی می‌شود.

Keywords Persian

کنترل مقاوم
QFT
اشباع
معماری بدون تداخل
پاسخ بدون فراجهش
[1]W. H. Chen, "QFT design for spacecraft with uncertain flexible structures," in 6th World Congress on Intelligent Control and Automation, Dalian, China, 2006, pp. 8191-8195, https://doi.org/10.1109/WCICA.2006.1713571.
[2]M. V. Chitra, K. K. Sharma, and A. A. Kumar, "Quantitative feedback theory based robust control design for a flexible launch vehicle," in International Conference on Control Communication & Computing India (ICCC), Trivandrum, India, 2015, pp. 72-77, https://doi.org/10.1109/ICCC.2015.7432872.
[3]M. Garcia Sanz, I. Eguinoa, M. Barreras, and S. Bennani, "Nondiagonal MIMO QFT controller design for darwin-type spacecraft with large flimsy appendages," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 130, no. 1, 2008, Art. no. 011006, https://doi.org/10.1115/1.2807067.
[4]A. Sinha, S. P. Chakravarty, P. Dutta and P. Roy, "Attitude and vibration control of a solar paneled satellite using quantitative feedback theory based robust controller," in Control and Measurement Applications for Smart Grid, Select Proceedings of SGESC 2021, S. Suhag, C. Mahanta, and S. Mishra, Eds. Singapore: Springer, 2022, pp. 155-165, https://doi.org/10.1007/978-981-16-7664-2_13.
[5]Z. Li, W. Zhou, and H. Liu, "Robust controller design of non-minimum phase hypersonic aircrafts model based on quantitative feedback theory," Journal of the Astronautical Sciences, vol. 67, pp. 137-163, 2020, https://doi.org/10.1007/s40295-019-00187-y.
[6]C. H. Houpis, S. J. Rasmussen and M. Garcia-Sanz, Quantitative Feedback Theory, Fundamentals and Applications, 2nd Ed. Boca Raton: CRC Press, 2005, https://doi.org/10.1201/9781315219301.
[7]W. Wu, S. Jayasuriya and M. H. Kotzebue, "A new qft design methodology for feedback systems under input saturation," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 123, no. 2, pp. 225-232, 2001, https://doi.org/10.1115/1.1367337.
[8]H. Kashani, "Detailed algorithm for implementing circle criterion in QFT framework for saturation nonlinearity," Journal of Space Science and Technology, vol. 17, Special issue, pp. 32-44, https://doi.org/10.22034/jsst.2024.1497.
[9]"Control System Toolbox," [Online]. Available: https://www.mathworks.com/products/control.html
[10]C. Borghesani, Y. Chait, and O. Yaniv, The QFT Frequency Domain Control Design Toolbox., User’s Guide, Terasoft, Inc. 2003.
[11]M. García Sanz and J. A. Osés, "Evolutionary algorithms for automatic tuning of QFT controllers," in IASTED International Conference on Modelling, Identification and Control, Switzerland, 2004.
[12]I. M. Horowitz, "A synthesis theory for a class of saturating systems," International Journal of Control, vol. 38, no. 1, pp. 169-187, 2007, https://doi.org/10.1080/00207178308933067.
[13]W. Wu and S. Jayasuriya, "Controller design for a nonovershooting step response with saturating nonlinearities," in American Control Conference, San Diego, CA, USA, 1999, pp. 3046-3050, https://doi.org/10.1109/ACC.1999.782321.
[14]N. Niksefat and N. Sepehri, "Design and experimental evaluation of a robust force controller for an electro-hydraulic actuator via quantitative feedback theory," Control Engineering Practice, vol. 8, no. 12, pp. 1335-1345, 2000, https://doi.org/10.1016/S0967-0661(00)00075-7
Volume 18, Issue 4
2025
Pages 1-11

  • Receive Date 29 December 2024
  • Revise Date 09 April 2025
  • Accept Date 30 April 2025
  • First Publish Date 11 May 2025