طراحی کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب زیربهینه: کاربرد در کنترل وضعیت ماهواره

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 نوسنده مسئول: دانشیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 استادیار، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله، روند طراحی کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب زیربهینه با کاربرد در کنترل وضعیت ماهواره‌ای با عملگر چرخ‌های عکس‌العملی بیان‌شده است. ماهواره‌ای که قصد کنترل وضعیت آن وجود دارد، اغتشاشات خارجی زیادی در فضا به آن وارد می‌شود؛ بنابراین، این طراحی در حضور اغتشاش خارجی نامعین و کران‌دار طراحی‌شده است. با توجه به اینکه اغتشاشات دارای محدوده مشخصی می‌باشد، امکان کنترل وضعیت ماهواره با استفاده از کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب ممکن است. ازآنجایی‌که ماهواره که دارای سیستمی با دینامیک پیچیده است، چالش افزایش حجم محاسبات در هنگام محاسبه کوچک‌ترین مجموعه نامتغیر مثبت مقاوم به وجود می‌آید. چالش افزایش حجم محاسبات این مجموعه یا همان تیوب در سیستم‌های پیچیده همانند ماهواره، ناشی از تعداد متغیرهای حالت زیاد سیستم است. تعداد زیاد متغیرهای حالت سیستم باعث افزایش نمایی حجم محاسبات به دلیل تشکیل جمع‌های متعدد مینکوفسکی در محاسبه تیوب می‌شود. در راستای برطرف شدن این چالش، راهکار نوین کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب زیربهینه ارائه‌شده است. این راهکار باعث توقف روند افزایش نمایی تعداد جمع‌های مینکوفسکی و درنتیجه کاهش حجم محاسبات تیوب می‌گردد. شبیه‌سازی برای سیستم موردنظر انجام‌شده که نشان‌دهنده کنترل وضعیت ماهواره‌ای با چرخ‌های عکس‌العملی با کاهش حجم محاسبات در هنگام طراحی کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب زیربهینه است.

تازه های تحقیق

  • تئوری کنترل‌کننده پیش‌بین مقاوم مبتنی بر تیوب زیربهینه جهت کنترل وضعیت ماهواره ارائه‌شده است.
  • تیوب زیربهینه، باعث کاهش تعداد رئوس تیوب و کاهش حجم محاسبات می‌شود.
  • راهکار تیوب زیربهینه امکان محاسبه مجموعه نامتغیر مثبت مقاوم را برای سیستم‌های پیچیده فراهم ساخته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Suboptimal Robust Tube Based MPC: Satellite Attitude Control Application

نویسندگان [English]

  • Mahyar Madani Esfahani 1
  • Saeed Shamaghdari 2
  • Taleb Abdollahi 3
1 Ph.D. Student, Faculty of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Corresponding author: Associate Professor, Faculty of Electrical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a satellite attitude control system with the reaction wheels based on suboptimal robust tube based model predictive control is designed. The satellite receives many external bounded disturbances in space. Due to the fact that disturbances have a specific range, it is possible to satellite attitude control by using a robust predictive controller based on a tube. But since the satellite has a system with complex dynamics, the challenge of increasing the volume of calculations arises when calculating the minimal Robust Positive Invariant set. The challenge of increasing the volume of calculations of this set (tube) in complex systems such as satellites is caused by the large number of state variables of the system. The large number of system state variables causes an exponential increase in the volume of calculations due to the formation of multiple Minkowski sums in the tube calculation. In order to solve this challenge, a new solution of robust predictive controller based on suboptimal tube has been presented. This solution reduces the volume of tube calculations. Simulation has been done for the accuracy of the design of the predictive controller based on the suboptimal tube to attitude control of satellite.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tube based model predictive control
  • Approximate minimal robust positive invariant set
  • Satellite attitude control system
  • Reaction wheels
  • Bounded disturbance

Smiley face

مراجع

[1] Wang L. Model predictive control system design and implementation using MATLAB®: Springer Science & Business Media; 2009.##
[2] de La Pena DM, Alamo T, Ramirez D, Camacho E. Min–max model predictive control as a quadratic program. IET Control Theory & Applications. 2007;1(1):328-33.##
[3] Casavola A, Famularo D, Franzé G. Robust constrained predictive control of uncertain norm-bounded linear systems. Automatica. 2004;40(11):1865-76.##
[4] Ding B, Xi Y, Li S. A synthesis approach of on-line constrained robust model predictive control. Automatica. 2004;40(1):163-7.##
[5] Langson W, Chryssochoos I, Raković S, Mayne DQ. Robust model predictive control using tubes. Automatica. 2004;40(1):125-33.##
[6] Rakovic SV, Kerrigan EC, Kouramas KI, Mayne DQ. Invariant approximations of the minimal robust positively invariant set. IEEE Transactions on automatic control. 2005;50(3):406-10.##
[7] Mayne DQ, Seron MM, Raković S. Robust model predictive control of constrained linear systems with bounded disturbances. Automatica. 2005;41(2):219-24.##
[8] Mayne DQ, Raković SV, Findeisen R, Allgöwer F. Robust output feedback model predictive control of constrained linear systems. Automatica. 2006;42(7):1217-22.##
[9] Bayer FA, Müller MA, Allgöwer F. Tube-based robust economic model predictive control. Journal of Process Control. 2014;24(8):1237-46.##
[10] Sebghati A, Shamaghdari S. Tube‐based robust economic model predictive control with practical and relaxed stability guarantees and its application to smart grid. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2020;30(17):7533-59.##
[11] Yang X, Lv W, Hu C, Hu Y. Tube-model predictive control based on sum of squares for hypersonic vehicle with state-dependent input constraints. Transactions of the Institute of Measurement and Control. 2022;44(5):1000-13.##
[12] Pirouzmand F, Ghahramani NO. Robust model predictive control based on MRAS for satellite attitude control system. The 3rd International Conference on Control, Instrumentation, and Automation; 2013: IEEE.##
[13] Kim J, Jung Y, Bang H. Linear time-varying model predictive control of magnetically actuated satellites in elliptic orbits. Acta Astronautica. 2018;151:791-804.##
[14] Mammarella M, Lee DY, Park H, Capello E, Dentis M, Guglieri G. Attitude control of a small spacecraft via tube-based model predictive control. Journal of Spacecraft and Rockets. 2019;56(6):1662-79.##
[15] Hill E, Biglarbegian M, Gadsden SA. Tube-based model predictive control of small satellite systems with uncertainty dynamics. Progress in Canadian Mechnical Engineering. 2021;4.##
[16] Mammarella M, Capello E, Park H, Guglieri G, Romano M, editors. Spacecraft proximity operations via tube-based robust model predictive control with additive disturbances. 68th International Astronautical Congress; 2017.##
[17] Mammarella M, Capello E, Park H, Guglieri G, Romano M. Tube-based robust model predictive control for spacecraft proximity operations in the presence of persistent disturbance. Aerospace Science and Technology. 2018;77:585-94.##
[18] Sidi MJ. Spacecraft dynamics and control: a practical engineering approach: Cambridge university press; 1997.##
مکانیک هوافضا
دوره 19، شماره 2 - شماره پیاپی 72
شماره پیاپی 72، فصلنامه تابستان
شهریور 1402
صفحه 69-82

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 04 آذر 1401
  • تاریخ بازنگری: 03 دی 1401
  • تاریخ پذیرش: 04 بهمن 1401
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار