طراحي كنترل كننده وضعيت تطبيقي براي شبيه ساز آزمايشگاهي سمت فضاپيما

Designing an Adaptive Control Algorithm for Amirkabir’s Laboratory Attitude Simulator of a Spacecraft

در اين مقاله پس از معرفي مختصري از شبيه‌ساز سمت دانشگاه صنعتي اميركبير به استخراج روابط حاكم بر آن پرداخته مي‌شود. به‌دليل وجود اصطكاك در ياتاقان‌هاي شبيه‌ساز سمت، در ديناميك شبيه‌ساز از مدل اصطكاك ويسكوز براي مدل‌سازي اصطكاك در ياتاقان‌ها استفاده مي‌شود. هدف اين مقاله طراحي يك كنترل‌كنندۀ وضعيت تطبيقي براي كنترل شبيه‌ساز سمت و تخمين ضرايب اصطكاك ويسكوز ياتاقان‌ها مي‌باشد. به‌منظور جلوگيري از پديده تكينگي در روابط حاكم، از پارامترهاي رودريگز براي نمايش سينماتيك شبيه‌ساز استفاده مي‌شود. ابتدا روابط حاكم بر شبيه‌ساز به فرم رباتيكي استخراج مي‌شود. سپس پارامترهاي تانسور ممان اينرسي شبيه‌ساز سمت و ضرايب اصطكاك ويسكوز به عنوان پارامترهاي نامعلوم سامانه انتخاب مي شوند. در مرحله بعد با تعريف يك تابع لياپانوف و بررسي پايداري سامانه، پارامترها به گون هاي تخمين زده مي شوند كه خطا محدود شده و سامانه پايدار گردد. در مرحله بعد شبيه‌سازي سامانه در نرم‌افزار متلب انجام شده و تخمين پارامترهاي تانسور اينرسي و ضرايب اصطكاك ويسكوز به‌دست مي‌آيند. در نهايت با به‌دست آمدن نمودارهاي مربوط به سرعت عملگرهاي چرخ عكس‌العملي نشان داده خواهد شد كه اين كنترل كنندۀ وضعيت قابليت پياده‌سازي بر روي شبيه‌ساز سمت اميركبير را دارد.

In this paper, after presenting a brief introduction about Amirkabir University of Technology’s attitude simulator, governing equations are obtained. Viscous friction model is chosen to model the existing friction in the bearings of the attitude simulator. The main purpose of this paper is to design an adaptive attitude control algorithm for the attitude simulator in order to control it in the desired path and estimate the coefficients of friction due to simulator’s bearings. In order to prevent singularity in simulations, Rodriguez parameters are used for kinematics representation. Firstly, the governing equations are transformed into a robotic form. The moments of inertia and coefficients of viscous friction model are assumed as uncertainties. Then, by introducing a Lyapunov function, the stability of the system is checked and the parameters are estimated. The adaptation law is obtained by the Lyapunov function and the stability of the system is then proved. In order to demonstrate the efficiency of this adaptive control algorithm, a nonlinear Lyapunov-based attitude control algorithm is designed and compared to the adaptive controller. The simulations are done in Matlab software package and the parameters of the moment of inertia matrix and coefficients of viscous friction model are estimated by the adaptation law of the controller. During the simulation, the rotational velocity of the reaction wheels are obtained and it is shown that this attitude control algorithm is implementable on the attitude simulator.