Nonlinear Dynamic Inversion Fault Tolerant Control for Spacecraft Â Â

Bustan, Daniyal; Hosseini Sani, Seyed Kamal; Pariz, Naser

Nonlinear Dynamic Inversion Fault Tolerant Control for Spacecraft Â Â

Authors

Daniyal Bustan ¹

Seyed Kamal Hosseini Sani ²

Naser Pariz ²

¹ Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Quchan University of New Technologies Ghoochan. IRAN

² Ferdowsi University of Mashhad, Electrical Engineering, Mashhad, IRAN

Abstract

In this paper, a continuous globally stable tracking control algorithm is proposed for spacecraft in the presence of unknown actuator failure. The design method is based on nonlinear dynamic inversion andÂ Â in contrast to traditional fault-tolerant control methods, the proposed controller does not require knowledge of the actuator faults and is implemented without explicit fault detection and isolation processes.Â The stability proof is based on a Lyapunov analysis and the properties of the singularity free quaternion representation of spacecraft dynamics. Results of numerical simulations state that the proposed controller is successful in achieving high attitude performance in the presence of external disturbances and actuator failures.

Keywords

Fault tolerantcontrol

Multiplicative faults

Nonlinear dynamic inversion

Article Title Persian

کنترل تحملپذیر خطا برای ماهواره به روش معکوس دینامیک غیرخطی

Authors Persian

دانیال بوستان ¹

سید کمال حسینی ثانی ²

ناصر پرویز ²

¹ گروه مهندسی برق، دانشکدة فنی و مهندسی، دانشگاه مهندسی فناوریهای نوین قوچان، قوچان، ایران

² دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

Abstract Persian

در این مقاله، به طراحی کنترلکنندة تحملپذیر خطا برای ماهواره به منظور ردیابی مسیر مورد نظر و با درنظر گرفتن آسیب ضرب‌شوندهدر عملگر پرداخته شده است. برای این منظور از روش معکوس دینامیک غیرخطی استفاده شده و به دلیل عدم وجود تکینگی در نمایش وضعیت به کمک کواترنیونها، استفاده از آنها در دستور کار قرار گرفته است. پایداری سیستم حلقه بسته نیز توسط روش مستقیملیاپانوف تضمین شده است. مزیت روش پیشنهادی در این مقاله را میتوان در سادگی پیادهسازی، آزادی عمل در تغییر شکل حالت گذرا و نیز اطمینان از پایداری پاسخ حلقه بستة سیستم خلاصه کرد. نتایج شبیهسازی نیز نشان از عملکرد مناسب روش پیشنهادی دارد.

Keywords Persian

کنترلکنندة تحملپذیر خطا

آسیب ضرب‌شوندة عملگر

معکوس دینامیک غیرخطی

Zhang, Y. and Jiang, J., “Bibliographical Review on Reconfigurable Fault-Tolerant Control Systems,” Annual Reviews in Control, 2008, 32, pp. 229-252
Yingchun, Z., Yu, G., Yu, J. and Xueqin, C., “LMI-Based Design of Robust Fault-Tolerant Controller,” 3^rd International Symposium on Systems and Control in Aeronautics and Astronautics, 2010, pp. 353-356
Cai, W., Liao, X., Song, D. Y., “Indirect Robust Adaptive Fault-Tolerant Control for Attitude Tracking of Spacecraft,” Journal of Guidance Control and Dynamics, 31, No. 5, 2008, pp. 1456-1463.
Jin, X., Yang, G. and Li, Y., “Robust Fault-Tolerant Controller Design for Linear Time-Invariant Systems with Actuator Failures: an Indirect Adaptive Method,” Journal of Control Theory and Applications, 8, No. 4, 2010, pp. 471-478.
Benosman, M. and Lum, K. Y., “Application of Absolute Stability Theory to Robust Control Against Loss of Actuator Effectiveness,” Control Theory & Applications, IET, 3. No. 6, 2009, pp. 772-788.
Benosman, M. and Lum, K. Y., “Passive Actuators' Fault-Tolerant Controlfor Affine Nonlinear Systems,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, 18, No. 1, 2010, pp. 152-163.
Bustan, D., Sani, S. K. H. and Pariz, N., “Adaptive Fault-Tolerant Spacecraft Attitude Control Design with Transient Response Control,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 19. No. 4, 2014, pp. 1404-1411.
Bustan, D., Pariz, N. and Sani, S. H., “Robust Fault-tolerant Tracking Control Design for Spacecraft Under Control Input Saturation,” ISA Transactions, Vol. 53, No. 4, 2014, pp. 1073-1080
Bustan, D., Sani, S. K. H. and Pariz, N., “Immersion and Invariance Based Fault Tolerant Adaptive Spacecraft Attitude Control,” International Journal Control Autom. System, 12, No. 2, 2014, pp. 333-339.
Craig, J. J., Introduction to Robotics: Mechanics and Control, 3rd Edition, Pearson/Prentice Hall, 2005.
Bajodah, A. H., “Inertia-Independent Generalized Dynamic Inversion Feedback Control of Spacecraft Attitude Maneuvers,” Acta Astronautica, 68, No. 11, 2011, pp. 1742-1751.
Bajodah, A. H., “Perturbed Feedback Linearization of Attitude Dynamics,” American Control Conference, 2008, pp. 5222-5229.
Bang, H., Lee, J. S. and Eun, Y. J., “Nonlinear Attitude Control for a Rigid Spacecraft by Feedback Linearization,” KSME International Journal, 18, 2004, pp. 203-210.