علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

مدل سازی و کنترل تلاطم سوخت و اثر آن روی وضعیت فضاپیما

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان
1 دانشیار، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی ، تهران، ایران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فناوری نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
سوخت موجود درمخزن فضاپیما در حین انجام مانور مداری دچار پدیده تلاطم می­شود و این پدیده روی وضعیت فضاپیما اثر نامطلوبی می‌گذارد. بنابراین باید قبل از انجام مانور­های مداری تلاطم سوخت مدل­سازی و روشی مناسب برای کنترل آن انتخاب شود. در این مقاله به مدل‌سازی دینامیک تلاطم با استفاده از مدل دو پاندولی در فضای دو بعدی پرداخته شده است. مانور فضاپیما و حرکت پاندول­ها در صفحه در نظر گرفته شده و بنابراین سیستم فضاپیما و پاندول­ها سیستمی پنج درجه آزادی خواهد شد. برای پایدار سازی معادلات دینامیکی سیستم معرفی شده هم از کنترلر­های خطی (کلاسیک و LQR) و هم از کنترلر­های غیرخطی (لیاپانوف و فازی) استفاده شده است، که البته برای استفاده از کنترلر­های خطی معادلات دینامیکی با استفاده از تقریب مناسب خطی شده­اند. نتایج شبیه سازی موفقیت آمیز بودن کنترلر­های طراحی شده بر روی وضعیت فضاپیما و پاندول­ها را نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

[1]  Deng, M., Baozeng, Y. and Jiarui, Y., “Position and Attitude Control of Spacecraft with Large Amplitude Propellant Slosh and Depletion,” Journal of Aerospace Engineering, Vol. 30, Issue 6, 2017, pp. 1-12.
[2]  Pukdeboon, C. and Kumam, P., “Robust Optimal Sliding Mode Control for Spacecraft Position and Attitude Maneuvers,” Journal of Aerospace science and Technology, vol. 43, 2015, pp. 329-342.
[3]  Meirovitch, L. and Kwak, M. K., “State Equation for a Spacecraft with Maneuvering Flexible Appendages in Terms of Quasi-Coordinates,” Applied Mechanics Reviews, Vol. 42, Issue 11, 1989, pp. 161-170.
[4]  Peterson, L. D., Crawley, E. F. and Hansman, R. J., “Nonlinear Fluid Slosh Coupled to the Dynamics of Spacecraft,” AIAA Journal, Vol. 27, No. 9, 1989, pp. 1230-1240.
[5]  Hung, R.J., Long, Y.T. and Chi, Y.M., “Slosh Dynamics Coupled with Spacecraft Attitude Dynamics Part1: Formulation and Theory,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 33, No. 4, 1996, pp. 575-581.
[6]  Vadali, S. R., “Variable-Structure Control of Spacecraft Large-Angle Maneuvers,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 9, No. 2, 1986, pp. 235-239.
[7]  Shageer, H. and Tao, G., “Modeling and Adaptive Control of Spacecraft with Fuel Slosh: Overview and Case Studies,” AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, AIAA 2007-6434, 2007, pp. 1-19.
[8]  Sidi, M.J., Spacecraft Dynamics and Control, a Practical Engineering Approach, Cambridge University Press, 1997, pp. 291-316.
[9]  Hill, D.E. and Baumgarten, J.R., “Control of Spin-Stabilized Spacecraft with Sloshing Fluid Stores,” Journal of Dynamics Systems, Measurement, and Control, Vol. 114, Issue 4, 1992, pp. 1-4.
[10] X. Yu, S. and R. Yun, Q., “Using Sliding Mode Control Method to Suppress Fuel Sloshing of a Liquid-Filled Spacecraft,” 27th Chinese Control and Decision Conference, 2015, pp. 1268-1273.
[11] Cho, S., McClamroch, N. H. and Reyhanoglu, M., “Feedback Control of a Space Vehicle with Unactuated Fuel Slosh Dynamics,” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 2000, AIAA 2000-4046, pp. 354-359.
[12] Bandyopadhyay, B., Gandhi, P.S. and Kurode, S., “Sliding Mode Observer Based Sliding Mode Controller for Slosh-Free Motion Through PID Scheme,” IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 9, 2009, pp. 3432-3442.
[13] Souza, A. G. and d. Souza, L. C. G., “Design of Satellite Attitude Control System Considering the Interaction Between Fuel Slosh and Flexible Dynamics,” 11th International Conference on Vibration problems, 2013, pp. 1-10.
[14] Ibrahim, R. A., Liquid Sloshing Dynamics, Theory and Applications, Cambridge University Press, 2005, pp. 296-334.
[15] Reyhanoglu, M., “Maneuvering Control Problem for a Spacecraft with Unactuated Fuel Slosh Dynamics,” IEEE Conference on Control Applications, 2003, pp. 695-699.
[16] Reyhanoglu, M. and R. Hervas, J., “Nonlinear Control of a Spacecraft with Multiple Fuel Slosh Modes,” Conference on Decision and Control and European Control Conference, 2011, pp. 6192-6197.
[17] R. Hervas, J., Reyhanoglu, M. and Tang, H., “Thrust-Vector Control of a Tree-Axis Stabilized Spacecraft with Fuel Slosh Dynamics,” International Conference on Control, Automation and Systems, 2013, pp. 761-766.
[18] R. Hervas, J. and Reyhanoglu, M., “Observer-Based Nonlinear Control of Space Vehicles with Multi-Mass Fuel Slosh Dynamics,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2014, pp. 178-182.
[19] Cho, S., McClamroch, N. H. and Reyhanoglu, M., “Dynamics of Multibody Vehicles and Their Formulation as Nonlinear Control Systems,” American Control Conference, 2000, pp. 3908-3912.
[20] Reyhanoglu, M., Van der Schaft, A., Kolmanovski, I. and McClamroch, N. H., “Dynamics and Control of a Class of Underactuated Mechanical Systems,” IEEE Transaction on Automatic Control, Vol. 44, No. 9, 1999, pp. 1663-1671.
[21] Zhao, Z., Tomizuka, M. and Isaka, S., “Fuzzy Gain Scheduling of PID Controllers,” IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 23, Issue 5, 1993, pp. 1392-1398.

  • تاریخ دریافت 02 فروردین 1397
  • تاریخ بازنگری 20 شهریور 1397
  • تاریخ پذیرش 21 شهریور 1397
  • تاریخ اولین انتشار 01 اسفند 1397