علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

کنترل وضعیت ماهوارههای مبتنی بر کنترل پیش‌بین مدل کلیدزنی H∞/ H2 با قابلیت مانور در یک محدوده عملکردی گسترده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار، پژوهشگاه فضایی ایران
10.22034/jssta.2025.491857.1218
چکیده
در این مقاله، یک طرح همزمان کنترل وضعیت بر اساس رویکرد پیش‌بین مدل کلیدزنی و سیگنال کلیدزنی برای ماهواره‌های تجهیز شده با عملگرهای چرخ عکس‌العملی توسعه می‌یابد. در این طرح، ابتدا دینامیک وضعیت غیرخطی ماهواره بر اساس نقاط کاری مختلف به چند زیردینامیک خطی که هر کدام توصیف‌کننده بخشی از رفتار کلی است شکسته می‌شود. سپس، یک قانون کلیدزنی تعریف می‌شود که زمان فعال بودن هر کدام از دینامیک‌ها را مشخص می‌کند. بنابراین، به جای پرداختن به یک دینامیک غیرخطی پیچیده، از چند زیردینامیک خطی ساده استفاده می‌شود. همچنین، به دلیل ماهیت سیستم‌های کلیدزنی، امکان مانورهای سریع قابل پوشش است. علاوه بر این، با تخصیص دادن یک قانون کنترلی برای هر زیردینامیک هم امکان ردیابی در یک محدوده وسیع نقاط کاری فراهم می‌شود و هم دقت و سرعت نشانه‌روی افزایش می‌یابد. در این طرح، مسأله حداقل کردن یک تابع هزینه با افق پیش‌بین بینهایت (مسأله ) مورد توجه قرار می‌گیرد تا هم بتوان پایداری سیستم حلقه بسته را تضمین نمود و هم بتوان بر محدودیت انرژی در ماهواره‌ها غلبه کرد. همچنین، مسئله کاهش اثر اغتشاشات (مسأله ) مطرح می‌گردد تا تأثیرات نامطلوب اغتشاشات تضعیف شود. در نهایت، عملکرد طرح پیشنهادی روی یک ماهواره نمونه از طریق شبیه‌سازی نشان داده می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]       F. Landis Markley, John L. Crassidis, Fundamental of spacecraft attitude determination and control, Springer, 2014.
[2]       J. R. Wertz, Spacecraft attitude determination and control, Springer, 1978.
[3]       J. R. Wertz, J. J. Puschell, D. F. Everett, Space mission engineering: The new SMAD, 1st ed., Microcosm Press, 2011.
[4]       Z. Sun, and S. S. Ge, Stability Theory of Switched Dynamical Systems, Springer, 2011.
[5]       Z. Sun, and S. S. Ge, Switched Linear Systems, Springer, 2005.
[6]       M. Benallouch, G. Schutz, D. Fiorelli and M. Boutayeb, “H∞ model predictive control for discrete-time switched linear systems with application to drinking water supply network,Journal of Process Control, vol. 24, no. 6, pp. 924-938, 2014.
[7]       F. Bayat, “Model predictive sliding control for finite-time three-axis spacecraft attitude tracking,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 10, pp. 7986-7996, 2018.
[8]       L. Franchi, L. Feruglio, R. Mozzillo, and S. Corpino, “Model predictive and reallocation problem for CubeSat fault recovery and attitude control,” Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 98, pp. 1034-1055, 2018.
[9]       M. Mammarella, D. Y. Lee, H. Park, E. Capello, M. Dentis, and G. Guglieri, “Attitude control of a small spacecraft via tube-based model predictive control,” Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 56, no. 6, pp. 1662-1679, 2019.
a.          Golzari, H. N. Pishkenari, H. Salarieh, and T. Abdollahi, “Quaternion based linear time-varying model predictive attitude control for satellites with two reaction wheels,” Aerospace Science and Technology, vol. 98, pp. 105677, 2020.
[10]    J. Mamarasulov, J. Holaza, and M. Gulan, “Design of an mpc based attitude control system for a cubesat nanosatellite,” 23rd International Conference on Process Control, pp. 266-271, 2021.
[11]    X. Cao, D. Gong, Q. Shen, and S. Wu, “Fault-Tolerant Attitude Control of Spacecraft via Explicit Model Prediction Method,” International Conference on Aerospace System Science and Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore, pp. 147-161, 2021.
[12]    E. Hill, S.A. Gadsden, and M. Biglarbegian, “Explicit nonlinear MPC for fault tolerance using interacting multiple models,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 57, no. 5, pp. 2784-2794, 2021.
[13]    M. Esit, H. E. Soken, and C. Hajiyev, “A Model Predictive Control Based Magnetorquer-only Attitude Control Approach for a Small Satellite,” IFAC-PapersOnLine, vol. 55, no. 22, pp. 79-84, 2022.
[14]    P. H. dos Santos, and R. A. J. Chagas, “Satellite attitude control using extended model predictive control (EMPC) under actuator failures,” Advances in Space Research, 2024.
[15]    H. H. Yaghini, H. Kharrati, and A. Rahimi, “Linear time-varying fractional-order model predictive attitude control for satellite using two reaction wheels,” Aerospace Science and Technology, vol. 145, pp. 108901, 2024.
[16]    Y. Zhou, Y. Hu, K. V. Ling, and F. Ding, “Hybrid Two-Stage Identification-Based Nonlinear MPC Strategy for Satellite Attitude Control,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2025.
[17]    T. Huang, J.  Zhang, M. Li, Y. Shen, J. Wu, and H. Wang, “Self-triggered MPC with adaptive prediction horizon for nano-satellite attitude control system,” Advances in Space Research, vol. 75, no. 2, pp. 2251-2270, 2025.
[18]    S. Saki, and H. Bolandi, “Optimal direct adaptive soft switching multi-model predictive control using the gap metric for spacecraft attitude control in a wide range of operating points,” Aerospace science and technology, vol. 77, pp. 235-243, 2018.
[19]    S. Shi, Z. Shi and Z. Fei, “Asynchronous control for switched systems by using persistent dwell time modeling, Systems & Control Letters, vol, 133, pp.104523, 2019.
[20]    Y. Qi, W. Yu, J. Huang and Y. Yu, “Model predictive control for switched systems with a novel mixed time/event-triggering mechanism, Nonlinear Analysis: Hybrid Systems, vol. 42, pp. 101081, 2022.
[21]    M. Aminsafaee and M. Shafiei, “Stabilization of uncertain nonlinear discrete-time switched systems with state delays: A constrained robust model predictive control approach, Journal of Vibration and Control, vol. 25, no. 14, pp. 2079-2090, 2019.
 
 
 
دوره 5، شماره 2
شماره دهم - اسفند 1404
اسفند 1404
صفحه 54-74

  • تاریخ دریافت 12 آذر 1403
  • تاریخ بازنگری 24 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 22 تیر 1404