بهبود کنترل وضعیت ماهواره با استفاده از کنترل کننده‌ مرتبه کسری در حضور اغتشاشات محیطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، ایران.

2 گروه مهندسی برق، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران

3 دانشگاه تهران

چکیده

در این مقاله کنترل وضعیت یک ماهواره صلب در حضور اغتشاشات خارجی و با در نظر گرفتن عدم‌قطعیت‌های پارامتری با کنترل کننده مرتبه کسری مورد بررسی قرار گرفته است. برای کنترل وضعیت ماهواره از عملگر چرخ عکس‌العملی با مدل دینامیکی مرتبه اول استفاده شده و نامعینی در پارامترهای ممان اینرسی ماهواره، مدل عملگر و اغتشاشات خارجی لحاظ شده است. به منظور مقایسه‌‌ منصفانه، علاوه بر کنترل کننده مرتبه کسری از کنترل کننده مرتبه صحیح به‌ازای شرایط یکسان استفاده شده است. حل عددی معادلات حالت با روش اویلر انجام شده و برای حل انتگرال و مشتق مرتبه کسری از تعریف گرانوالد-لتینکوف استفاده شده است. ضرایب کنترل کننده‌های مرتبه صحیح و مرتبه کسری توسط روش بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) با معیار عملکرد میانگین مطلق خطای نشانه‌روی مانور وضعیت بدست آمده است. معیار عملکرد بر حسب انحراف معیار عدم قطعیت‌های مذکور مطالعه شده و مقادیر فراجهش پاسخ زمانی و زمان نشست نیز در مواجهه با اغتشاشات و عدم قطعیت بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد، کنترل کننده‌های مرتبه کسری با داشتن درجه آزادی بیشتر نسبت به کنترل کننده مرتبه صحیح، قابلیت افزایش دقت نشانه‌روی در مواجهه با نامعینی‌ها را دارند.

کلیدواژه‌ها


[1]      M. J. Sidi, Spacecraft dynamics and control: A practical engineering approach. 2014.
[2]      M. Massoumnia,, "Linear Controllers Design," Sharif Univercity of Technology, 1394, (in persian),Accessed: Dec. 28, 2020. [Online]. Available: http://ganjineh.sharif.ir/resource/425314.
 [3]       A. Ghaedi and M. A. Nekoui, “3-Axes satellite attitude control based on biased angular momentum,” in 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2008, 2008, pp. 1054–1057, doi: 10.1109/EPEPEMC.2008.4635407.
[4]      P. Sharma and V. G. Nair, “Tuning of PID controller using glowworm swarm optimisation on a satellite attitude control reaction wheel,” Int. J. Recent Technol. Eng., vol. 8, no. 2, pp. 4205–4210, 2019, doi: 10.35940/ijrte.B3404.078219.
[5]      C. Pukdeboon, “Robust optimal pid controller design for attitude stabilization of flexible spacecraft,” Kybernetika, vol. 54, no. 5, pp. 1049–1070, 2018, doi: 10.14736/kyb-2018-5-1049.
[6]      S. S. Kumar, C. Shreesha, and N. K. Philip, “Robust PID controller design for rigid uncertain spacecraft using Kharitonov theorem and vectored particle swarm optimization,” Int. J. Eng. Technol., vol. 7, no. 2, pp. 9–14, 2018, doi: 10.14419/ijet.v7i2.21.11825.
[7]      Y. Li, Z. Sun and D. Ye, “Robust linear PID controller for satellite attitude stabilisation and attitude tracking control,” Int. J. Sp. Sci. Eng., vol. 4, no. 1, p. 64, 2016, doi: 10.1504/ijspacese.2016.078581.
[8]      A. Kosary, A. Maani and H. Nejat Pishkonary, "Three-axis Satellite Atittude with a combination of Thruster and Reaction wheels," (in persian), vol. 11, no. 3, pp. 63–71, Dec. 2018, Accessed: Dec. 28, 2020. [Online]. Available: http://jsst.ias.ir/article_81073.html.
 [9]     S. M. Bazaz, V. Bohlouri, S. Hamid and J. Naini, “Attitude Control of a Rigid Satellite with Pulse-Width Pulse-Frequency Modulation Using Observer-based Modified PID Controller,” Fac. Mech. Eng. Tarbiat Modares Univ. Tehran, Iran., vol. 16, no. 8, pp. 139–148, 2016, Accessed: Dec. 28, 2020. [Online]. Available: http://journals.modares.ac.ir/article-15-1094-en.html.
[10]    V. Bohlouri, Z. Khodamoradi and S. H. Jalali-Naini, “Spacecraft attitude control using model-based disturbance feedback control strategy,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 40, no. 12, pp. 1–18, Dec. 2018, doi: 10.1007/s40430-018-1478-9.
[11]      V. Bohlouri, M. Ebrahimi, and S. H. J. Naini, “Robust optimization of satellite attitude control system with on-off thruster under uncertainty,” in 2017 International
Conference on Mechanical, System and Control Engineering, ICMSC 2017, 2017, pp. 328–332, doi: 10.1109/ICMSC.2017.7959495.
[12]    V. Bohlouri and S. H. Jalali-Naini, “Application of reliability-based robust optimization in spacecraft attitude control with PWPF modulator under uncertainties,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 41, no. 10, pp. 1–15, Oct. 2019, doi: 10.1007/s40430-019-1955-9.
[13]    M. Tavazoei and M. Tavakoli-Kakhaki, “Fractional Order Systems and Controllers.” (in persian), http://press.kntu.ac.ir/book_388060.html (accessed Dec. 28, 2020).
 [14]   F. Mainardi, “Short survey: An historical perspective on fractional calculus in linear viscoelasticity,” Fractional Calculus and Applied Analysis, vol. 15, no. 4. pp. 712–717, 2012, doi: 10.2478/s13540-012-0048-6.
[15]    R. El-Khazali, “Fractional-order PI λdμ controller design,” Comput. Math. with Appl., vol. 66, no. 5, pp. 639–646, Sep. 2013, doi: 10.1016/j.camwa.2013.02.015.
[16]    H. Li, Y. Luo and Y. Chen, “A fractional order proportional and derivative (FOPD) motion controller: Tuning rule and experiments,” IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 18, no. 2, pp. 516–520, 2010, doi: 10.1109/TCST.2009.2019120.
[17]    C. A. Monje, B. M. Vinagre, V. Feliu and Y. Q. Chen, “Tuning and auto-tuning of fractional order controllers for industry applications,” Control Eng. Pract., vol. 16, no. 7, pp. 798–812, 2008, doi: 10.1016/j.conengprac.2007.08.006.
[18]    D. Valério and J. S. Da Costa, “Ziegler-nichols type tuning rules for fractional pid controllers,” in Proceedings of the ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference - DETC2005, 2005, vol. 6 B, pp. 1431–1440, doi: 10.1115/detc2005-84344.
[19]      S. M. Baviskar, P. Shah and S. D. Agashe, “Tuning of fractional PID controllers for higher order systems,” Int. J. Appl. Eng. Res., vol. 9, no. 11, pp. 1581–1590, 2014, Accessed: Dec. 28, 2020. [Online]. Available: http://www.ripublication.com.
[20]    M. T. Nasri and W. Kinsner, “An evaluation of integer- and fractional-order controllers for small satellites,” in Proceedings of 2014 IEEE 13th International Conference on Cognitive Informatics and Cognitive Computing, ICCI*CC 2014, 2014, pp. 30–38, doi: 10.1109/ICCI-CC.2014.6921437.
[21]    M.Nasri and W. Kinsner, “A comparison between fuzzy, fractional-, and integer-order controllers for small satellites attitude control,” ieeexplore.ieee.org, 2014, Accessed: Dec. 28, 2020. [Online]. Available: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6901125/.
[22]    N. Sarafnia, M. Malekzadeh, and J. Askari, “Fractional order PDD control of spacecraft rendezvous,” Adv. Sp. Res., vol. 62, no. 7, pp. 1813–1825, 2018, doi: 10.1016/j.asr.2018.06.040.
[23]    G. Xing-wang, L. Ai-jun, G. Yang-yang and W. Chang-qing, “Fractional order attitude stability control for sub-satellite of tethered satellite system during deployment,” Appl. Math. Model., vol. 62, pp. 272–286, 2018, doi: 10.1016/j.apm.2018.04.005.
[24]    G. Sun and Z. H. Zhu, “Fractional order controlof tethered satellite system deployment and retrieval,” 2014, doi: 10.2514/6.2014-4132.
[25]    D. Chakrabarti and N. Selvaganesan, “PD and PDβ based sliding mode control algorithms with modified reaching law for satellite attitude maneuver,” Adv. Sp. Res., vol. 65, no. 4, pp. 1279–1295, 2020, doi: 10.1016/j.asr.2019.11.005.
 [26]   D. Chakrabarti and N. Selvaganesan, “PD and PDβ based sliding mode control algorithms with modified reaching law for satellite attitude maneuver,” Adv. Sp. Res., vol. 65, no. 4, pp. 1279–1295, 2020, doi: 10.1016/j.asr.2019.11.005.
[27]  P. N. Paraskevopoulos, Modern control engineering. 2017.