كنترل وضعيت ماهواره صلب با مدولاسيون پهنا و فركانس پالس با استفاده از كنترلگر تناسبي - انتگرالگير - مشتق گير اصلاح شده با الگوريتم مشاهده گر

Attitude Control of a Rigid Satellite with Pulse-Width Pulse-Frequency Modulation Using Observer-based Modified PID Controller

در اين مقاله، عملكرد سيستم كنترل وضعيت تك محوره يك ماهواره صلب با مدولاتور پهنا و فركانس پالس و عملگر تراستر از نوع دو وضعيتي (روشن يا خاموش) با استفاده از كنترلگر تناسبي- انتگرالگير- مشتقگير ((PID اصلاح شده، در شرايط اغتشاش خارجي پله بهبود يافته است. بدين منظور از كنترلگر PID مبتني بر روش مشاهده گر استفاده شده است. عملگر تراستر با يك تابع تبديل مرتبه دوم به همراه ثابت زماني خالص مدل شده و فركانس بروز رساني خروجي مدولاتور، به عنوان ورودي عملگر تراستر دو وضعيتي، به مقدار 40 هرتز محدود شده است. در اين مطالعه، معيارهاي دقت نشانه روي، ميزان فراجهش پاسخ زاويه اي، مصرف سوخت و تعداد دفعات روشن شدن عملگر تراستر به ازاي اغتشاش خارجي پله (با مقادير مختلف)، مد نظر است. پارامترهاي كنترلگر PID اصلاح شده بر مبناي مشاهده گر، با استفاده از روش جستجوي پارامتري تنظيم شده است. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه ميزان مصرف سوخت و زمان نشست پاسخ در روش كنترلگر مبتني بر مشاهده گر نسبت به كنترلگر PID، در حالي كه فراجهش پاسخ نيز حذف شده است، كاهش قابل ملاحظه اي داشته است. نهايتاً قوام كنترلگر مبتني بر مشاهده گر در مواجهه با عدم قطعيت در ممان اينرسي و عدم قطعيت در سطح نيروي تراست بررسي شده است.

In this paper, the performance of a single-axis attitude control with pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulation is enhanced using a modified proportional-integral-derivative (PID) controller for a rigid satellite with on-off thruster actuators. For this purpose, the well-known observer-based PID approach is utilized. The on-off thruster actuator is modeled with a constant delay followed by a second-order binomial transfer function. The modulator update frequency is limited to 40 Hz as an input to the on-off thruster actuators. In this study, the design criteria of pointing accuracy, overshoot of the attitude response, fuel consumption, and the number of thruster firings are considered for a step external disturbance (with different values). The parameters of the observer-based PID controller are tuned using parametric search method. Simulation results show that the fuel consumption and settling time of the observer-based approach are considerably decreased with respect to those of PID controller with PWPF modulator. Moreover, the overshoot of the observer-based approach is omitted. Finally, the robustness of the observer-based modified PID controller is investigated in presence of uncertainties in satellite moment of inertia and thrust level of on-off actuators.