کنترل فعال مقاوم ارتعاشات یک ماهوارة انعطاف‌پذیر غیرخطی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی / دانشکدة فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

چکیده

در این پژوهش کنترل موقعیت زاویه‌ای و حذف فعال نوسانات ماهوارة انعطاف‌پذیر با استفاده از بست‌های پیزوالکتریک به‌عنوان عملگر و حسگر بررسی می‌شود. از دو حلقة کنترلی شامل یک حلقة داخلی برای کنترل میزان انحراف نوسانات بالک و یک حلقة بیرونی برای کنترل وضعیت ماهواره استفاده می‌شود. عملگر حلقة داخلی پیزوالکتریک‌های نصب‌شده بر سطح بالایی بالک و عملگر حلقة بیرونی همان چرخ عکس‌العملی است. در حلقة داخلی، یک کنترل‌کنندة بهینه برای حذف نوسانات بالک طراحی شده است. حلقة بیرونی اما شامل دو کنترل‌کنندة خطی‌سازی پسخوراند و کنترل‌کنندة ترکیبی (ترکیب خطی‌سازی پسخوراند و سنتز µ) می‌باشد که روی قسمت صلب مرکزی عمل می‌کند و مانور ماهواره را تضمین می‌نماید. برای بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌های به‌کار گرفته شده، شبیه‌سازی‌هایی بر مدل غیرخطی ماهوارة انعطاف‌پذیر انجام شده است. عملکرد کنترل‌کننده‌ها برحسب کارایی نامی، مقاومت نسبت به عدم قطعیت‌ها، حذف نوسانات بالک، حساسیت نسبت به نوفة اندازه‌گیری شده و اغتشاشات محیطی در مانورهای بزرگ بررسی شده است. نتایج شبیه‌سازی توانایی کنترل‌کنندة فعال ترکیبی را در تعقیب مسیر به‌همراه حذف نوسانات ارتعاشات بالک نشان می‌دهد. نشان داده شده است که در روش ترکیبی، عدم قطعیت‌ها، اغتشاشات و خطاهای اندازه‌گیری اثر کمی بر عملکرد تعقیب و حذف نوسانات دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Robust active vibration suppression of a nonlinear flexible spacecraft

نویسنده [English]

  • Maryam Malekzadeh
چکیده [English]

In this paper, attitude control and active vibration suppression of flexible spacecraft using piezoelectric patches as actuator and sensor is considered. Two inner and outer loop controllers are used (inner loop for controlling panel vibration and outer loop for controlling spacecraft attitude). Piezo patches and reaction wheel are used as inner and outer loop actuator respectively. In inner loop an optimal controller has been designed for suppression of panel vibration. In outer loop, two controller feedback linearization and composite controller (combine of feedback linearization and mu-synthesis) act on rigid hub to perform spacecraft maneuver. To evaluate the performance of the proposed controllers, an extensive number of simulations on a nonlinear model of the flexible spacecraft are performed.  The performances of the proposed controllers are compared in terms of nominal performance, robustness to uncertainties, panel vibration suppression, sensitivity to measurement noise, environment disturbance and nonlinearity in large maneuvers. Simulation results confirm the ability of the active controller in tracking the attitude trajectory while damping the panel vibration. It is also verified that the perturbations, environment disturbances and measurement errors have only slight effects on the tracking and damping performances in the composite method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nonlinear flexible spacecraft
  • Piezoelectric layers
  • active controller
  • robust composite controller

[1] Vijaya, M. S., Piezoelectric Materials and Devices: Applications in Engineering and Medical Sciences, Taylor and Francis Group, 2013.

[2] Koofigar, H. R., “Robust active vibration control of flexible beams in smart structures using piezoelectric sensors and actuators”, the Research Plan, No. 89001149, Isfahan University, 2012.

[3] Song, G., B. Kotejoshyer. “Vibration reduction of flexible structures during slew operations.” International Journal of Acoustics and Vibration, Vol.7, No.2, 2002, pp. 105-109.

[4] Shan, J. J., H. T. Liu, D. Sun. “Slewing and vibration control of a single-link flexible manipulator by positive position feedback.” Mechatronics, Vol. 15, No. 4, 2005, pp. 487-503.

[5] Jiang, J. P., D. X. Li. “Robust H∞ vibration control for smart solar array structure.” Journal of Vibration and Control, Vol.17, No.4, 2010, pp.505-515.

[6] Khoshnood, A., H. Moradi Maryamnegari. “Dynamics modeling and active vibration control of a satellite with flexible solar panels.” Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No.16, 2015, pp. 57-66 (in Persian).

[7] Marinaki, M., Y. Marinakis, G. E. Stravroulakis. “Vibration control of beams with piezoelectric sensors and actuators using particle swarm optimization.” Expert system Applied, Vol. 38, 2011, pp. 6872-6883.

[8] Song, G., B. N. Agrewal. “Vibration suppression of flexible spacecraft during attitude control.” Acta Astronautica, Vol. 49, No. 2, 2001, pp.73-83.

[9] Xiaoping, S., Y. Guopiang. “Robust attitude tracking control scheme for flexible spacecraft with vibration suspention”, 25th Chinese Control and Decision Conference, 2013.

[10] Ding, S., W. X. Zheng. “Non smooth attitude stabilization of a flexible spacecraft.” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 50, No. 2, 2014, pp. 1163-1183.

[11] Azadi, M., S. A. Fazelzadeh, M. Eghtesad, E. Azadi. “Vibration suppression of smart nonlinear flexible appendages of a rotating Satelite by using hybrid adaptive sliding mode / lyapunov control.” Journal of Vibration Control, 2013.

[12] Azadi, M., S. A. Fazelzadeh, M. Eghtesad, E. Azadi. “Active vibration suppression and maneuver control of an orbiting smart flexible satellite.” IJST, Transaction of Mechanical Engineering, Vol. 38 (M1), 2014, pp. 119-133.

[13] Sayanjali, M., J. Roshanian, A. Ghaafari. “Three axis maneuver of elastic spacecraft consist active vibration control.” Journal of Space Science and Technology, No.3, pp.43, 2009 (in Persian).

[14] Hu, Q. “Sliding mode attitude control with L2-gain performance and vibration reduction of flexible spacecraft with actuator dynamics.” Acta Astronautica, Vol. 67, 2010, pp. 572-583.

[15] Hu, Q., G. Ma. “Variable Structure Control and Active Vibration Suppression of Flexible Spacecraft during Attitude Maneuver.” Aerospace Science and Technology, Vol. 9, 2005, pp. 307-317.

[16] Meirovitch, L. Principles and Techniques of Vibrations, Prentice-Hall International, 1997.

[17] Slotine, J. J., W. Li. Applied Nonlinear Control, Prentice-Hall International, 1992.

[18] Malekzadeh, M., A. Naghash, H. A.Talebi. “Control of Flexible Spacecraft Using Dynamic Inversion and µ-Synthesis.” Journal of Vibration and Control, Vol. 17, No. 11, 2011.

[19] Zhou, K., and J. C. Doyle. Essentials of Robust Control, Prentice-Hall, 1998.