عنوان پایان‌نامه
طراحی کنترل کننده LTR/LQG برای کنترل وضعیت ماهواره زمین آهنگ
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکاترونیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 63021;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 8
- تاریخ دفاع
- ۱۷ شهریور ۱۳۹۲
- دانشجو
- مهدی پیروانی
- استاد راهنما
- مهدی فکور ثقیه, امیر رضا کوثری
- چکیده
- در این پژوهش، به طراحی کنترل¬کننده LQG/LTR جدیدی برای کنترل وضعیت ماهواره زمین¬آهنگ در فاز نامی پرداخته می¬شود. روش مد نظر از ترکیب سه مرحله حاصل می¬شود: طراحی رگولاتور LQR، طراحی فیلتر کالمن توسعه یافته و طراحی بازیافت تبدیل حلقه (LTR). تعیین وضعیت ماهواره، به عنوان یکی از مهمترین وظایف زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت (ADCS)، با استفاده از یک الگوریتم ترکیب اطلاعات بر پایه فیلتر کالمن توسعه¬یافته و بر اساس اطلاعات به¬دست آمده از حسگرهای زمینی و خورشیدی صورت می¬گیرد. سپس از رگولاتور LQR برای تولید گشتاورهای کنترلی، به¬منظور نشانه¬روی مناسب ماهواره، استفاده می¬شود. عملگرهای مورد استفاده در این امر، چرخ¬ها و تراسترهای عکس¬العملی هستند. در انتها نیز، به کمک روش LTR، مقاوم¬سازی سیستم و کنترل¬کننده، در برابر اغتشاشات و نویزهای اندازه¬گیری صورت می¬گیرد. در این راستا سعی می¬شود که با استفاده از کنترل¬کننده LQG/LTR، تا حد امکان، مقاومت سیستم کنترل وضعیت، در برابر اغتشاشات خارجی ناشی از تشعشعات خورشیدی، افزایش یابد. در فاز طراحی کنترل¬کننده، چهار منطق کنترلی متفاوت بر پایه روش¬های کنترلی LQR، LQG، LQG/LTR و PID را برای کنترل وضعیت یک ماهواره زمین¬آهنگ طراحی و با یکدیگر مقایسه می-نماییم. در طراحی سه کنترل¬کننده اول با عدم کنترل¬پذیری نمایش کواترنیونی سیستم روبه¬رو شدیم، که علت آن وجود قطب¬های غیرقابل کنترل در نمایش کواترنیونی نقطه تعادل است. برای حل این مشکل، از دو راه¬کار طراحی بر اساس دینامیک نقطه کاری و طراحی بر اساس مدل کاهش یافته کواترنیون¬ها، در نقطه تعادل بهره بردیم. روش اول موجب افزایش عملکرد کنترل¬کننده شده ولی بار محاسباتی بسیار بالایی دارد. در مقابل، روش دوم، موجب ساده¬تر شدن مدل و دسترسی به نقطه تعادل می¬شود. مقایسه کنترل-کننده¬های فوق، بیانگر این موضوع است که، کنترل¬کننده LQR، به شرطی که همه حالات سیستم در فیدبک خروجی آن دیده شوند، بهترین عملکرد را دارد. اما این روش ایده¬آل بوده و عدم قطعیت موجود در مدل و نویز حسگرها را لحاظ نمی¬کند. از این¬رو با طراحی و افزودن فیلتر کالمن توسعه¬یافته به بلوک جبرانساز، کنترل¬کننده¬های LQG، LQG/LTR و PID را طراحی کردیم، که کنترل¬کننده LQG ضعیف-ترین عملکرد و مقاومت را نسبت به سایر کنترل¬کننده¬ها نشان می¬دهد. در مقابل دو کنترل¬کننده LQG/LTR و PID، عملکرد و مقاومت مناسبی را در برابر اغتشاشات ناشی از تشعشعات خورشیدی نشان می¬دهند. نتایج شبیه¬سازی¬ها نیز بیانگر این مطلب است که عملکرد روش LQG/LTR، در کنترل وضعیت ماهواره زمین¬آهنگ، با استفاده از تراسترها و چرخ¬های عکس¬العملی، نسبت به کنترل¬کننده PID، مناسب¬تر است. واژه‌های کلیدی: ماهواره زمین¬آهنگ، کنترل وضعیت، کنترل¬پذیری، LQG/LTR، مدل کاهش¬یافته کواترنیون¬ها
- Abstract
- In this research, a new LQG/LTR control strategy has been proposed for attitude control of a geostationary satellite at nominal phase of operation. Basically, the proposed methodology incorporates three steps, including: linear quadratic regulator (LQR) design, extended Kalman filter (EKF) design, and loop transfer recovery (LTR) design. Satellite attitude determination as an important task of attitude determination and control subsystem (ADCS) could be done using a data fusion algorithm based on extended Kalman filter based on earth and sun sensors data collection. Then, the LQR controller is used to generate the control torque and appropriate pointing of the satellite. In this work, reaction wheels and reaction thrusters are considered as satellite actuators. Finally, the LTR methodology is employed to increase the robustness of both system and controller in confronting to disturbances and measurement noises. In this regard, the proposed controller may be trying to increase the robustness of the attitude control system with respect to solar radiation as an output disturbance. In controller design phase, four different control logic based on LQR, LQG, LQG/LTR and PID methodologies are implemented for attitude control system of a geostationary satellite and their performance are compared together. In design of LQR, LQG and LQG/LTR controllers, we encountered uncontrollability problem in the quaternion representation, which may be due to uncontrollable poles of the equilibrium point in the quaternion representation. In this case, two different strategies are proposed to solve the problem: 1) using operating point dynamics, and 2) using reduced quaternion model in the equilibrium point. First way may increase the controller performance, but its computational load is very high. In contrast, using the second approach is caused to model is simpler and may be locally accessible about the equilibrium point. The comparison of implemented controllers indicates that the LQR controller has the best performance, if all system's states are considered in system output feedback. But these assumptions may be ideal and it does not account for the model uncertainty and the noise of sensors. To consider the model uncertainty and the noise of sensors, EKF has been implemented which is added to compensator block and obtained LQG, LQG/LTR and PID controllers in which the LQG controller shows poorest weak performance and robustness with respect to others. In contrast, LQG/LTR and PID controllers have good performance and robustness encountering to solar radiation disturbances. Simulation results demonstrate that the LQG/LTR methodology applying to the attitude control system of the geostationary satellite has been shown better performance than the PID controller, using thrusters and reaction wheels as the system actuators.
