بهينه‌سازي يك سيستم كنترل وضعيت با جت عكس‌العملي با استفاده از الگوريتم ممتيك تطبيقي چند‌منظوره

Optimization of the Reaction Jet Attitude Control System Using Multi- Objective Adaptive Real-coded Memetic Algorithm

در اين مقاله بهينه‌سازي سيستم كنترل وضعيت يك وسيله پرنده خاص مورد بررسي قرار گرفته است. پرتاب اين وسيله پرنده به‌صورت عمودي است و اندكي پس از پرتاب، توسط يك سيستم كنترل وضعيت از نوع جت عكس‌العملي وضعيت زاويه‌اي آن به وضعيت مورد نياز تغيير مي‌كند. در بخش ابتدايي اين مقاله فرآيند طراحي سيستم كنترل وضعيت اين وسيله، كه شامل طراحي اجزاي سيستم كنترل و نيز طراحي حلقه‌هاي كنترلي مي‌باشد، تدوين شده است. بدين منظور پارامترهاي هر يك از زيرسيستم‌ها به سه دسته پارامترهاي پيش‌فرض، پارامترهاي مستقل طراحي و پارامترهاي وابسته تقسيم شده‌اند و روابط حاكم بين آنها تدوين شده است. وابستگي موجود بين پارامترهاي زيرسيستم‌هاي مختلف موجب مي‌شود كه برخي از پارامترهاي محاسبه شده در يك زيرسيستم، پارامترهاي ورودي زيرسيستم ديگر باشند. به‌همين دليل لازم بوده است كه ترتيب انجام محاسبات زيرسيستم‌ها نيز تدوين شود. در اين وسيله پرنده دستيابي به كمترين زمان چرخش از وضعيت قايم به وضعيت مطلوب ضروري است. زيرا اتمام فاز كنترل وضعيت پيش‌نياز شروع فاز هدايت وسيله است. از طرفي در طراحي سيستم كنترل وضعيت ملاحظاتي از قبيل ديناميك عملگر وجود دارد كه محدوديت‌هايي را در دست‌يابي به اين هدف بوجود مي‌آورد. به‌عبارت ديگر بايد بين ماموريت خواسته شده براي وسيله پرنده و محدوديت‌هاي سيستمي مصالحه برقرار شود. به اين منظور از رويكرد بهينه‌سازي چندمنظوره براي برآورده‌كردن همزمان همه اهداف و ارضاي همه قيود طراحي استفاده شده است. در اين مقاله مسيله طراحي سيستم كنترل وضعيت به‌صورت يك مسيله بهينه‌سازي با 14 پارامتر مجهول طراحي و 13 قيد سيستمي مدل شده و از الگوريتم ممتيك تطبيقي چندمنظوره براي حل آن و دستيابي به طرح بهينه‌اي، كه با درنظر گرفتن قيود همه اهداف را تا حد مناسبي برآورده مي‌كند، استفاده شده است. دستيابي به كمترين زمان برخاست، كمترين درصد فراجهش و استفاده از عملگر با كمترين پهناي باند ممكن به‌عنوان اهداف طراحي در نظر گرفته شده‌اند. بهينه‌سازي همزمان پارامترهاي طراحي بر اساس نتايج بدست‌آمده از شبيه‌سازي پرواز شش‌درجه‌آزادي غيرخطي و با درنظرگرفتن محدوديت اشباع سيگنال كنترلي انجام شده است. در نهايت نتايج شبيه‌سازي پرواز طراحي بهينه سيستم كنترل وضعيت با طراحي كلاسيك مبتني بر سعي و خطا مقايسه شده است.

The optimization of attitude control system is studied for a special flying vehicle. The vehicle is launched vertically and after a moment, it is rotated to the desired attitude by a reaction jet control system. In the first section of this article, the design process of the attitude control system that includes design of system details as well as the control loops is studied. In a new approach, the design parameters of the subsystems are divided into three sets of parameters, including predefined parameters, design (independent) parameters and dependent parameters. The dependency between the parameters causes some dependent parameters of a subsystem to be input (predefined) parameters of the other(s). So, it is necessary to extract the arrangement of subsystems calculations. Since the attitude control phase is the prerequisite of the guidance phase, it is necessary to attain the minimum rotation time from the vertical to the desired attitude. But, there are some constraints, such as the dynamics and saturation of actuators that causes some difficulties in reaching this goal. On the other hand, one must compromise between the desired mission and the system constraints. For this purpose, the multi-objective optimization approach is utilized to simultaneously reach all goals and satisfy all constraints. In this paper, the reaction jet control system design is defined as an optimization problem with 13 unknown design parameters and 13 system constraints. This problem is solved using the new-developed multi-objective Adaptive Real-coded Memetic Algorithm to simultaneously minimize rise time, overshoot and the actuator bandwidth. The design optimization is performed based on the non-linear 6DOF flight simulation results and considering all constraints such as the saturation of the control signals. Finally, the optimal design is compared with the classic design, obtained based on the trial and error approach.