طراحي كنترلر PID پيش بين غير خطي جهت كنترل پرواز هماهنگ فضاپيماها

A Nonlinear Predictive PID Controller Design for Spacecraft Formation Flying Control

در مقاله حاضر، كنترلر PID غيرخطي بر اساس روش كنترلي پيش بين براي كنترل پرواز هماهنگ فضاپيماها در حالت دنبال كردن رهبر، طراحي مي شود. اين كنترلر بر اساس معادلات غيرخطي حركت نسبي هيل در مدارهاي دايروي طراحي شده و جهت كنترل اغتشاشات، از ضريبي در ساختار كنترلر استفاده مي شود. در ابتدا ورودي كنترلي با استفاده از الگوريتم كنترل پيش بين بدست ميآيد. در طراحي كنترلر فرض بر آن است كه اغتشاشات بصورت پيوسته و آرام به سيستم لحاظ مي گردد. بجاي استفاده از اغتشاشات، تخمين اغتشاشات (خروجي مشاهده گر اغتشاشات) را در قانون كنترل پيش بين قرار داده و معادلات را به فرمي بازنويسي كرده كه ضرايب PID را تشكيل دهند. پايداري ديناميك حلقه بسته سيسستم به كمك پايداري ديناميك خطا اثبات مي گردد. نتايج شبيه سازي، توانايي عملكرد كنترلر PID غيرخطي در تعقيب آرايش مطلوب را نشان مي دهد. هم چنين تاثير عوامل مختلف در كيفيت پاسخ-ها نيز مورد بررسي قرار مي گيرد. با افزايش محدوده زمان پيش بيني، زمان نشست و ميزان تلاش كنترلي افزايش مي يابد. مشاهده ميشود با افزايش ضريب مشاهده گر اغتشاشات، زمان نشست تغيير محسوسي نكرده ولي تلاش كنترلي افزايش چشم گيري را نشان مي دهد.

In this paper spacecraft formation flying control in leader - follower structure is investigated. A non-linear PID controller is designed based on predictive control. The formation relative equation is obtained from nonlinear Hill’s equation. The control input is achieved using predictive control algorithm. In controller design, disturbances have been replaced by disturbance observer. Equations are rewritten in the form of PID gains. Stability of the closed-loop system is proven by closed-loop error dynamics. Nonlinear PID controller performance in the pursuit of desired arrangement has been tested in simulations. Also, effects of various factors on the quality of response are studied. It is proven that predictive horizon time and disturbance observer gains have the most effect on system response. It is shown that if predictive time increases the settling time increases and control effort decreases if disturbance observer gain increases from a limit, it has no effect on settling time but control effort increases. The simulation shows the ability of this nonlinear control method in tracking.