A Launch Vehicle Tracker Design Based on On-Line Linearization

Madadkar, Abdollah; Kalhor, Ahmad; Kosari, Amirreza

A Launch Vehicle Tracker Design Based on On-Line Linearization

Document Type : Original Research Paper

Authors

Abdollah Madadkar ¹

Ahmad Kalhor ²

Amirreza Kosari ³

¹ Department of Modern Science and Technology Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

² Department of Electrical and Computer Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

³ Department of New Sciences and Technologies, Tehran University

Abstract

In order to overcome the nonlinear terms in the flight equations of a launch vehicle, an appropriate control strategy has to be designed. In this paper, the fundamentals of designing a simple controller in order to control a typical launch vehicle for tracking the optimum launch vehicle path is presented. The principals of this strategy are based on on-line linearization of the nonlinear equations in each sampling interval during the flight and eventually representing system equations as extended Jacobean equations. It is important to note that equations linearization does not work in some areas and equilibrium points of the system but in each sampling interval is trying the system of nonlinear equations can be transformed into linear equations and then by using the pole placement theory, a good tracking controller proposed for the system. Design and simulation results show good accuracy and proper convergence of the reference signals (speed and pitch angle signals) and eventually, the success of the mission.

Keywords

Launch vehicle controller

On-line linearization

Extended jacobean

Pole placement theory

Pitch program

Article Title Persian

طراحی یک ردیاب برای یک ماهواره‌بر مبتنی بر خطی‌سازی برخط

Authors Persian

عبدالله مددکار ¹

احمد کلهر ²

امیررضا کوثری ³

¹ دانشکدة مهندسی علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

² دانشکدة مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران، تهران، ایران

³ دانشکدة مهندسی علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

Abstract Persian

به دلیل حضور برخی ترم‌های غیر خطی در معادلات پرواز یک ماهواره‌بر باید یک راهبرد مناسب و پایدار کنترلی برای غلبه بر این ترم‌ها و در نتیجه، فرایند ردیابی صحیح مسیر بهینۀ رسیدن ماهواره‌بر به مدار مورد نظر را طراحی کرد. در این مقاله، مبانی طراحی یک کنترل‌کننده برای سیستم غیر خطی نوین و ساده با هدف کنترل یک نوع ماهواره‌بر در جهت ردیابی مسیر بهینۀ آن توضیح داده می‌شود. مبنای اساسی این استراتژی، خطی‌سازی برخط معادلات غیر خطی طی پرواز و در نهایت، بازنمایی معادلات سیستم به‌‌صورت ژاکوبین توسعه‌یافته است. نکتۀ مهم این است که سیستم تنها در برخی نقاط کاری و تعادل خطی‌سازی نمی‌شود و در هر بازۀ نمونه‌برداری، سعی شده است که سیستم معادلات غیر خطی به معادلات خطی تبدیل و سپس، با استفاده از تئوری جای‌دهی قطب‌ها، یک کنترل‌کنندۀ ردیاب مناسب برای سیستم پیشنهاد شود. نتایج طراحی و شبیه‌سازی حاکی از دقت و همگرایی مناسب سیگنال‌های مرجع (سیگنال‌های شامل سرعت و زاویۀ پیچش) و در نتیجه، انجام موفقیت‌آمیز مأموریت است.

Keywords Persian

کنترل ماهواره‌بر

خطی‌سازی برخط

ژاکوبین توسعه‌یافته

تئوری جای‌دهی قطب‌ها

برنامۀ زاویۀ پیچش

[1] Siouris, G. M., Missile Guidance and Control Systems,3nd Ed., Springer-Verlag New York, 2003.

[2] Irani Rahaghi, M. and Roshanian, J. “Nonlinear Optimal Control Techniques Applied to a Launch Vehicle Autopilot,” Iranian Aerospace Society, Vol. 3, No. 1, 2006,pp. 43-49.

[3] Clinton E. Plaisted And Leonessa A., “Expanded Launch Vehicle Adaptive Autopilot Design,”AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, 2008, pp.18-21.

[4] Ansari, U., Alam, S. and Nabi Jafri, S. M., “Trajectory Optimization and Adaptive Fuzzy based Launch Vehicle Attitude Control,” 20th Mediterranean Conference, on Control & Automation (MED), 2012.

[5] Benoit Clement, Gilles Duc, and Sophie Mauffrey, “Aerospace Launch Vehicle Control: A Gain Scheduling Approach,” Control Engineering Practice 13, 2005, pp.333-347.

[6] Xiheng Zang, and Sh. Tang, “Combined Feedback Linearization and Sliding Mode Control for Reusable Launch Vehicle Reentry,”12th International Conference on Control, Automation, Robotics & Vision, 5-7th Dec. 2012.

[7] Mohanlal, P.P., Kaimal, M.R. and Dasgupta, S., “Exact Fuzzy Modeling and Optimal Control of a Launch Vehicle in the Atmospheric Phase,” 7th International Conferenceon Control, Automation, Robotics & Vision, Vol. 3, 2002, pp. 1275-1280.

[8] Yunjun Xu, Ming Xin, “Nonlinear Stochastic Control for Space Launch Vehicles,” IEEE Transactions On Aerospace and Electronic Systems, Vol. 47, No. 1, 2011.

[9] Ansari, U.,and Alam, S., “Hybrid Genetic Algorithm Fuzzy Rule Based Guidance and Control for Launch Vehicle,”IEEE Conference Publications, 2011, pp. 178-185.

[10] OuLiuli, Zhao Dangjun, W. Yongji,and L. Lei, “Launch Vehicle Pitch Control via GPI Observer-Based Sliding Mode Technique,”IEEE Conference Publications, Control Conference (CCC), 31st Chinese, 2012, pp. 3166-3170.

[11] Calsson M., Control of Unmanned Aerial Vehicles Using Non-linear Dynamic Inversion, Master’s Thesis, Linkoping University, 2002.

[12] Curtis,H. D., Orbital Mechanics for Engineering Students, 3nd Ed., Elsevier Ltd, 2010.

[13] Kalhor,A.,“A Self Tuning Regulator for Nonlinear Time Varying Control Systems Based on Evolving Linear Models,” IEEE Evolving adaptive intelligent systems, 2014,paper 09, 2014.

[14] Kalhor, A., “Potential of Evolving AR and ARX Models in Signal Recovering,”Evolving Systems, Vol. 7, 2016, pp. 61-72.

[15] Bayani, H., Masouleh, M.T. and Kalhor, A., “An Experimental Study on the Vision-Based Control and Identification of Planar Cable-Driven Parallel Robots,” Robotics and Autonomous Systems, 2016, pp. 187-202.