کنترل وضعیت ماهواره با کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی-مشتقی بهبودیافته با لحاظ عدم‌قطعیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی دانشگاه فنی و حرفه ای

چکیده

در این مقاله، کنترل وضعیت یک ماهواره صلب با کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PID) بهبودیافته با روش مشاهده‌گر در حضور اغتشاش و با فرض عدم قطعیت مطالعه شده است. از دینامیک مرتبه اول برای مدل‌سازی چرخ عکس‌العملی به عنوان عملگر کنترلی با لحاظ کردن محدودیت عملی حداکثر گشتاور تولیدی استفاده شده است. در روش مشاهده‌گر، اشباع و جمع‌شوندگی سیگنال کنترلی، با یک ضریب اصلاحی به کنترل‌کننده فیدبک شده و نهایتاً سیگنال کنترلی بهبود می‌یابد. ضرایب کنترلی با روش بهینه‌سازی مبتنی بر الگوریتم تکاملی ژنتیک با روش پنالتی و به ازای معیار عملکرد میانگین مطلق خطای نشانه‌روی بدست آمده است. به منظور بررسی عملکرد، مقایسه‌ای بین کنترل کننده بهبودیافته و کنترل کننده PID کلاسیک بر حسب تغییر پارامترهای کنترلی، نمودار صفحه فاز، چرخه حدی، عدم قطعیت‌ها، دامنه و فرکانس اغتشاش خارجی انجام شده است. به منظور مقایسه منصفانه، همه شرایط در بهینه‌سازی و حل عددی در دو کنترل کننده یکسان انتخاب شده است. مقایسه نتایج، نشانگر عملکرد مناسب‌تر کنترل کننده بهبودیافته و رفع جمع‌شوندگی و اشباع در آن است. بطوری که در مواجهه با اغتشاش و نمودار چرخه حدی عملکرد کنترل کننده بهبودیافته به وضوح قابل مقایسه با کنترل کننده کلاسیک است. علاوه بر این عملکرد دو کنترل‌کننده مذکور در مواجهه با عدم قطعیت‌های ممان اینرسی ماهواره، مدل عملگر، دامنه و فرکانس اغتشاشات و حداکثر مومنتوم مطالعه شده که عموماً رفتار کنترل‌کننده بهبودیافته مناسب‌تر بوده و دقت نشانه‌روی بیشتری دارد. بطور نمونه دقت کنترل بهبودیافته تحت عدم‌قطعیت ممان اینرسی حدود 15 درصد بهتر از کنترل کلاسیک است.

کلیدواژه‌ها


[1] Ley, W., Wittmann, K., & Allmann, W, eds. “Handbook of space technology”. Vol. 22. John Wiley & Sons, 2009.
[2] Wertz, J. R., “Spacecraft attitude determination and control”, Vol. 73. Springer Science & Business Media, 2012.
[3] Sidi, M. J. “Spacecraft dynamics and control: a practical engineering approach”. Vol. 7. Cambridge university press, 1997.
[4] Bryson, A. E., “Control of spacecraft and aircraft”. Vol. 41. Princeton, New Jersey: Princeton university press, 1993.
[5] Rundqwist, L. “Anti-reset windup for PID controllers”, IFAC Proceedings Volumes 23, no. 8: 453-458, 1990.
[6] Amstrom, K. J., & Tore, H. “PID controllers: Theory, design and tuning”, In Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC, 1995.
[7]   Astrom, K. J., & Lars, R., “Integrator windup and how to avoid it”, In 1989 American Control Conference, pp. 1693-1698. IEEE, 1989.
[8] Peng, Y., Damir, V., & Raymond, H. “Anti-windup, bumpless, and conditioned transfer techniques for PID controllers.” IEEE Control systems magazine 16, no. 4: 48-57, 1996.
[9] Tisa, P., & Paul, V., “Performance analysis of control algorithm for FalconSat-3, the 16th AAS”, In AIAA Space Flight Mechanics Conference. 2006.
[10] Balochian, S., & Asaee, A., “Controlling the micro satellite with adaptive and PID controllers and their function comparison”, Advances in Mechanical Engineering and its Applications (AMEA) 1, no. 3: 54-63, 2012.
[11] Snider, R. E., “Attitude control of a satellite simulator using reaction wheels and a PID controller”, Master Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics of Air University, Ohio, USA, 2010.
[12] Moghadaszadeh, S., & Jalali-Naini, S. H., "Attitude control of a rigid satellite with pulse-width pulse-frequency modulation using modified PID controllers", In The 15 the Iranian Aerospace Society Conference, pp. 1-3, 2016. (in persian)
[13] Moghadaszadeh Bazaz, S., Bohlouri, V., & Jalali Naini, S. H., Attitude control of a rigid satellite with pulse-width pulse-frequency modulation using observer-based modified PID controller”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 8, pp. 139-148, 2016. (in persian)
[14] Bohlouri, V., Khodamoradi, Z., & Jalali-Naini, S. H., “Spacecraft attitude control using model-based disturbance feedback control strategy”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 40, No. 12, pp.1-18, 2018.
 [15] Bohlouri, V., & Jalali-Naini, S. H., “Application of reliability-based robust optimization in spacecraft attitude control with PWPF modulator under uncertainties”. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 41, No. 10, pp.1-15, 2019.
[16] Johnson, M. A., & Moradi, M. H.,  “PID control, new identification and design methods”, Springer. 2005.
[17] Shinskey, F. G. “Process control system: Application, design and tuning”, Fourth Edition, McGraw-Hill, USA, 1996.
[18] Nobahari, H., Bandikonari, H., Darabi, D.,  & Novinzadeh, A., “Optimization of a reaction jet attitude control system using multi-objective adaptive real coded memetic algorithm”, Journal of  Aeronautical Engineering, Vol. 13, No. 1, pp. 1-22, 2011. (in persian)
[19] Hesamipour, H., & Nasrollahi, S., “Design of constrained predictive controller by considering communication delay for quadrotor and optimal adjustment of controller parameters”, Journal of  Aeronautical Engineering, Vol. 22, No. 2, pp. 133-145, 2020. (in persian)
[20] Bolandi, H., Fanisaberi, F., & Eslami, A., “Design of an attitude controller for large-angle maneuvers of a satellite considering of reaction wheels’ constraints with high fidelity model”, Aerospace Knowledge and Technology Journal, Vol. 1, No.1, pp.20-30, 2013. (in persian)
[21] Bohlouri, V., Kaviri, S., Taghinezhad, M., Meibody, M., & Seyedzamani, S., “Modeling and system identification of a reaction wheel with experimental data”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 437-446, 2018. (in persian)