علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

کنترل وضعیت مقاوم تطبیقی و کاهش ارتعاشات یک ماهواره انعطاف پذیر در مانور تصویربرداری

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان
1 دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
در ماهواره‌های سنجش از راه دور، به‌منظور تأمین انرژی الکتریکی از آرایه های خورشیدی بازشونده استفاده می شود. آرایه های خورشیدی دارای طول و عرض زیاد و ضخامت کم می‌باشند. لذا آرایه‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر هستند. انعطاف‌پذیری آرایه‌های خورشیدی دشواری هایی را برای کنترل وضعیت ماهواره به وجود می‌آورد. از طرف دیگر، برای ماهواره‌هایی با مأموریت سنجش از راه دور، الزاماتی نظیر تصویربرداری با حجم زیاد، قابلیت مانور به منظور تصویربرداری از اهداف موردنظر و محدودیت زمانی مد تصویربرداری تعریف می شود. به‌منظور برآورده نمودن این ملزومات، نیاز به مانور سریع وضعیت می‌باشد که باعث می‌شود آرایه های خورشیدی بازشونده ارتعاش نماید و کیفیت تصاویر گرفته‌شده کاهش یابد. در این مقاله کنترل‌کننده وضعیتی طراحی می گردد که بر عدم قطعیت‌هایی که در مدل به دلیل انعطاف پذیری آرایه های خورشیدی به وجود آمده است فائق آید. در این راستا، با توجه به عدم قطعیت‌هایی موجود در مدل ماهواره انعطاف‌پذیر و حضور اغتشاشات خارجی، از روش کنترل وضعیت مقاوم تطبیقی استفاده می شود. روش کنترل وضعیت مقاوم تطبیقی در مانورهایی با نرخ دوران کمتر از یک درجه بر ثانیه عملکرد خوبی دارد. اما در مانورهای سریع وضعیت، دامنه نوسانات فرکانس بالای زاویه‌ای ماهواره یا جیتر افزایش می یابد. لذا در ادامه، یک روش کنترلی مضاعف برای کاهش ارتعاشات ارائه می شود. در واقع روش کنترل پیشنهادی جهت کاهش ارتعاشات، کنترل وضعیت مقاوم تطبیقی مبتنی بر تکنیک شکل‌دهی ورودی می‌باشد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش کنترل پیشنهادی، در مانور سریع وضعیت، دقت نشانه روی و پایداری نشانه روی را بطور قابل ملاحظه ای بهبود می دهد و عملکرد خوبی در کاهش ارتعاشات دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]   L. Mazzini, Springer Aerospace Technology Flexible Spacecraft Dynamics, Control and Guidance, Springer Cham, 2016, https://doi.org/10.1007/978-3-319-25540-8 .
[2]   P. Gasbarri, R. Monti, and M. Sabatini, "Very large space structures: Non-linear control and robustness to structural uncertainties," Acta Astronautica, vol. 93, pp. 252–265, 2014, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.07.022.
[3]   A. Ebrahimi, S. A. A. Moosavian, and M. Mirshams, "Minimum-time optimal control of flexible spacecraft for rotational maneuvering," in International Conference on Control Applications, Taipei, Taiwan, 2004, pp. 961–966, https://doi.org/10.1109/CCA.2004.1387494.
[4]   M. R. Dehghan Nayeri, A. Alasty, and K. Daneshjou, "Neural optimal control of flexible spacecraft slew maneuver," Acta Astronautica, vol. 55, no. 10, pp. 817–827, 2004, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2004.04.002.
[5]   U. Javaid, Z. Zhen, S. Shahid, D. S. Ibrahim, and S. Ijaz, "Output feedback attitude control of flexible spacecraft under actuator misalignment and input nonlinearities," Journal of Vibration and Control, vol. 30, no. 7–8, pp. 1783–1801, 2024,
https://doi.org/10.1177/10775463231171386.
[6]   R. Q. Dong, X. Dong, A. G. Wu, and Y. Zhang, "Dynamic sliding mode attitude tracking control for flexible spacecraft," in 28th International Symposium on Industrial Electronics, Vancouver, BC, Canada, 2019, pp. 509–514, https://doi.org/10.1109/ISIE.2019.8781505.
[7]   A. Li, M. Liu, and Y. Shi, "Adaptive sliding mode attitude tracking control for flexible spacecraft systems based on the Takagi-Sugeno fuzzy modelling method," Acta Astronautica, vol. 175, pp. 570–581, 2020, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.041.
[8]   Z. Hou and X. Lan, "Adaptive sliding mode and RBF neural network based fault tolerant attitude control for spacecraft with unknown uncertainties and disturbances," Advances in Space Research, vol. 74, no. 4, pp. 1680–1692, 2024, https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.05.021.
[9]   S. Wu, W. Chu, X. Ma, G. Radice, and Z. Wu, "Multi-objective integrated robust H∞ control for attitude tracking of a flexible spacecraft," Acta Astronautica, vol. 151, pp. 80–87, 2018, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.05.062.
[10] Y. Yu, X. Meng, K. Li, and F. Xiong, "Robust control of flexible spacecraft during large-angle attitude maneuver," Journals of Guidance, Control and Dynamics, vol. 37, no. 3, pp. 1027–1033, 2014, https://doi.org/10.2514/1.61421.
[11] Z. Ni, J. Liu, S. Wu, and Z. Wu, "Time-varying state-space model identification of an on-orbit rigid-flexible coupling spacecraft using an improved predictor-based recursive subspace algorithm," Acta Astronautica, vol. 163, Part. B, pp. 157–167, 2019, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.11.008.
[12] S. Shen and Q. Sun, "Characteristic model-based fast attitude maneuver for the complex flexible satellite," in AIAA SPACE 2015 Conference and Exposition, Pasadena, California, 2015, https://doi.org/10.2514/6.2015-4508.
[13] M. Zarourati, M. Mirshams, and M. Tayefi, "Attitude path design and adaptive robust tracking control of a remote sensing satellite in various imaging modes," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 237, no. 9, pp. 2166–2184, 2023, https://doi.org/10.1177/09544100221148887.
[14] L. Wang, Y. Guo, W. Yao, and Q. Chen, "Adaptive robust attitude control for flexible spacecraft with control moment gyroscopes," in 12th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), Guilin, China, 2016, pp. 2376–2381, https://doi.org/10.1109/WCICA.2016.7578603.
[15] Q. Hu and G. Ma, "Variable structure control and active vibration suppression of flexible spacecraft during attitude maneuver," Aerospace Science and Technology, vol. 9, no. 4, pp. 307–317, 2005, https://doi.org/10.1016/j.ast.2005.02.001.
[16] L. Zhu, W. Song, and Q. Hu, "Active vibration suppression and attitude maneuvers of flexible spacecraft via fuzzy sliding control," in Chinese Control and Decision Conference, Yantai, China, 2008, pp. 3665–3669, https://doi.org/10.1109/CCDC.2008.4598014.
[17] I. M. da Fonseca, D. A. Rade, L. C. S. Goes, and T. de Paula Sales, "Attitude and vibration control of a satellite containing flexible solar arrays by using reaction wheels, and piezoelectric transducers as sensors and actuators," Acta Astronautica, vol. 139, pp. 357–366, 2017, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.07.018.
[18] E. Wang, S. Wu, Y. Liu, Z. Wu, and X. Liu, "Distributed vibration control of a large solar power satellite," Astrodynamics, vol. 3, no. 2, pp. 189–203, Jun. 2019, https://doi.org/10.1007/s42064-018-0046-5.
[19] Z. Hou, Y. Geng, and S. Huang, "Minimum Residual Vibrations for Flexible Satellites with Frequency Uncertainty," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 54, no. 2, pp. 1029–1038, 2018, https://doi.org/10.1109/TAES.2017.2773321.
[20] X. Cao, C. Yue, and M. Liu, "Flexible satellite attitude maneuver via constrained torque distribution and active vibration suppression," Aerospace Science and Technology, vol. 67, pp. 387–397, 2017, https://doi.org/10.1016/j.ast.2017.04.014.
[21] B. Wie and C. T. Plescia, "Attitude stabilization of flexible spacecraft during stationkeeping maneuvers," Journals of Guidance, Control and Dynamics, vol. 7, no. 4, pp. 430–436, 1984, https://doi.org/10.2514/3.19874 .
[22] M. Zarourati, M. Mirshams, and M. Tayefi, "Designing an adaptive robust observer for underactuation fault diagnosis of a remote sensing satellite," International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, vol. 37, no. 11, pp. 2812–2834, 2023, https://doi.org/10.1002/acs.3661.
[23] H. Li, M. D. Le, Z. M. Gong, and W. Lin, "Motion profile design to reduce residual vibration of high-speed positioning stages," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 14, no. 2, pp. 264–269, 2009, https://doi.org/10.1109/TMECH.2008.2012160.
[24] M. Tahmasebi and S. M. Esmailzadeh, "Modeling and co-simulating of a large flexible satellites with three reaction wheels in ADAMS and MATLAB," International Journal of Dynamics and Control, vol. 6, no. 1, pp. 79–88, 2018, https://doi.org/10.1007/s40435-016-0300-8.
[25] M. Zarourati, M. Mirshams, and M. Tayefi, "Active underactuation fault-tolerant backstepping attitude tracking control of a satellite with interval error constraints," Advanced Control for Applications, vol. 6, no. 3, 2024, Art. no. e215, https://doi.org/10.1002/adc2.215.
دوره 18، شماره 1
1404
صفحه 78-91

  • تاریخ دریافت 30 دی 1403
  • تاریخ بازنگری 16 بهمن 1403
  • تاریخ پذیرش 12 اسفند 1403
  • تاریخ اولین انتشار 12 اسفند 1403