كنترل ارتعاشات آنتن تيغه‌اي ماهواره مكعبي با استفاده از عملگر پيزوالكتريك با درنظرگرفتن محدوديت‌هاي سيستمي

CubeSat antenna vibration control using piezoelectric bender considering system requirements

كنترل ارتعاشات آنتن ماهواره براي انتقال درست اطلاعات و هم‌چنين حذف اغتشاشات مكانيكي واردشده به ماهواره در حين كنترل وضعيت ضروري مي‌باشد. در اين مقاله به كنترل ارتعاشات آنتن تيغه‌اي ماهواره مكعبي با اعمال محدوديت‌هاي سيستمي پرداخته مي‌شود. براي اين منظور از سنسور و عملگر پيزوالكتريك استفاده شده و مدل رياضي حاكم بر ديناميك آنتن استخراج مي‌شود. براي استخراج معادلات از مدل تير اويلر‌برنولي و روش جداسازي گلركين استفاده مي‌شود. پارامترهاي ميرايي و فركانس طبيعي آنتن با تست ارتعاشات آزاد محاسبه مي‌شود تا مدل دقيقي از سيستم به دست آيد. با توجه به محدوديت‌هاي زيرسيستم توان الكتريكي ماهواره، امكان اعمال ولتاژ پيوسته به پيزوالكتريك وجود نداشته و فقط امكان تغيير ولتاژ باس اصلي ماهواره با استفاده از برد سوئيچينگ (افزاينده) و اعمال ولتاژهاي مثبت و منفي صد ولت به پيزوالكتريك وجود دارد كه پيچيدگي‌هايي را به مسئله كنترلي وارد مي‌كند. در اين مقاله سه الگوريتم كنترلي مختلف ارائه شده و پارامترهاي آن‌ها بهينه شده‌اند. براي بهينه‌سازي پارامترها از روش بهينه‌سازي الگوريتم ژنتيك استفاده مي‌شود. سه استراتژي كنترلي ارائه شده از نظر ميزان مصرف انرژي و كيفيت كنترلي مقايسه شده و نتايج نشان مي‌دهد روش كنترلي سوم از نظر مصرف انرژي بهينه بوده و زمان ميراشدن ارتعاشات آنتن را به صورت قابل‌توجه كاهش مي‌دهد.

Vibration control of satellite antenna is the main concern to good quality data transmission and reduction of mechanical disturbance in attitude maneuvers. This paper is devoted to mathematical modeling and vibration control of cube-sat antenna. To do this aim, piezoelectric sensor and actuator are utilized and mathematical model of antenna by considering piezoelectric actuator as input parameter and antenna tip deflection as the output parameter. By performing experimental tests, system unknown parameters as damping ratio and natural frequency are obtained based on FFT analysis and the least square method. To control the antenna vibration, its mathematical model is obtained by considering piezoelectric voltage as an input and antenna tip deflection as an output. Herein, due to limitation on the power subsystem, it is not possible to apply continuous voltages and only 100V voltage is available which complicates the control task. Three different control algorithms are proposed for antenna control and compared together. The results show that the proposed control strategies are efficient and can reduce the control time from 10 to about 1 second. The appearing parameters in the selected control algorithm are optimized using genetic algorithm. The presented results in this paper are useful for the design and control of antenna and also for the accurate design of satellite control subsystem.