مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی تلاطم سوخت در یک فضاپیما و کنترل آن به‌وسیله روش کنترل فعال با استفاده از کنترل غیرخطی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
تلاطم سوخت یکی از مهم‌ترین عوامل در برهم‌خوردن وضعیت فضاپیما از حالت مطلوب در مانور مداری است. بنابراین کنترل این پدیده از اساسی‌ترین مسائل در کنترل وضعیت به حساب می‌آید. دو نوع روش کنترلی فعال و غیرفعال برای کنترل تلاطم وجود دارد که با توجه به جواب‌دهی بهتر کنترل فعال در کنترل هم‌زمان تلاطم و وضعیت فضاپیما، اغلب از کنترل فعال استفاده می‌شود. برای این منظور در ابتدا باید دینامیک تلاطم را مدل کرد. در این مقاله، دینامیک تلاطم به‌وسیله مدل چندآونگی توصیف شده و معادلات دینامیک ترکیب‌شده فضاپیما و تلاطم به دست آمده است. در مدل ارائه‌شده، آونگ‌ها به‌طور آزادانه می‌توانند در فضای سه‌بعدی حرکت کنند و این موضوع باعث می‌شود که مدل به واقعیت نزدیک‌تر باشد. معادلات دینامیک ترکیب‌شده فضاپیما و تلاطم، غیرخطی هستند، بنابراین برای کنترل وضعیت در حالت واقعی‌تر باید از روش کنترل غیرخطی استفاده کرد. در این مقاله برای این منظور ابتدا دو تابع نامزد لیاپانوف پیشنهاد شده است و پس از آن با استفاده از این توابع کنترلرها به دست آمده‌اند. تأثیر کنترلرهای به‌دست‌آمده بر وضعیت فضاپیما و آونگ‌ها با انجام یک شبیه‌سازی نشان داده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان از عملکرد مناسب کنترلر‌های طراحی‌شده دارند، اگرچه تفاوت اندکی در پاسخگویی دو کنترلر نسبت به یکدیگر دیده می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Modeling of Fuel Sloshing in a Spacecraft and Control it by Active Control Method Using Nonlinear Control

نویسندگان English

M. Navabi
A. Davodi
New Technologies Engineering Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Fuel sloshing is one of the most important factors in disturb attitude of the spacecraft from desire in orbital maneuver. So, controlling this phenomenon is a critical problem in attitude control. There are active and passive control methods to control fuel sloshing. Active method has better responses to control fuel sloshing and its effect on attitude of the spacecraft in the same time; so, mostly this method is used. For this aim, it is necessary to model slosh dynamic. In this paper, slosh dynamic is modeled by a multi-pendulum model, and, then, coupled equations of the spacecraft and fuel slosh dynamic are derived. In the presented model, pendulums can move freely in 3D atmosphere, and this matter makes presented model closer to real. Coupled equations of the spacecraft and fuel slosh dynamic are nonlinear. Therefore, nonlinear control methods should be used to attitude control in more realistic mode. In this paper, two candidate Lyapunov functions are proposed; then, using these functions, controllers are obtained. The effectiveness of these controllers on attitude of the spacecraft and pendulums is described by a simulation. Although, there are some little differences in time responses based on two controllers, results of simulation illustrate good responsibility of controllers to control aims.

کلیدواژه‌ها English

Slosh modeling
3D model
active control
Sloshing control
Agrawal BN. Dynamic characteristics of liquid motion in partially filled tanks of a spinning spacecraft. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1993;16(4):636-640. [Link] [DOI:10.2514/3.21061]
Hervas JR, Reyhanoglu M. Thrust-vector control of a three-axis stabilized upper-stage rocket with fuel slosh dynamics. Acta Astronautica. 2014;98:120-127. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2014.01.022]
Biswal KC, Bhattacharrya SK, Sinha PK. Dynamic characteristics of liquid filled rectangular tank with baffles. Journal Institution of Engineers India Part Cv Civil Engineering Division. 2003;84:145-148. [Link]
Peterson LD, Crawley EF, John Hansman R. Nonlinear fluid slosh coupled to the dynamics of a spacecraft. AIAA Journal. 1989;27(9):1230-1240. [Link] [DOI:10.2514/3.10250]
Gasbarri P, Sabatini M, Pisculli A. Dynamic modeling and stability parametric analysis of a flexible spacecraft with fuel slosh. Acta Astronautica. 2016;127:141-159. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2016.05.018]
Li Q, Ma X, Wang T. Equvalent mechanical model for liquid sloshing during draining. Acta Astronautica. 2011;68(1-2):91-100. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2010.06.052]
Liu F, Yue B, Zhao L. Attitude dynamics and control of spacecraft with a partially filled flexible panels. Acta Astronautica. 2018;143:327-336. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2017.11.036]
Yu SX, Yun QR. Using sliding mode control method to suppress fuel sloshing of a liquid-filled spacecraft. 27th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 23-25 May 2015, Qingdao, China. Piscataway: IEEE; 2015. [Link] [DOI:10.1109/CCDC.2015.7162113]
Reyhanoglu M. Maneuvering control problems for a spacecraft with unactuated fuel slosh dynamics. Proceedings of IEEE Conference on Control Applications (CCA), 25-25 June 2003, Istanbul, Turkey. Piscataway: IEEE; 2003. [Link]
Navabi M, Davodi A. Modeling and control of fuel sloshing and its effect on spacecraft attitude. Journal of Space Science & Technology. 2019;11(4):11-22. [Persian] [Link]
Reyhanoglu M, Hervas JR. Robatically controlled sloshing suppression in point-to-point liquid container transfer. Journal of Vibration and Control. 2012;19(14):2137-2144. [Link] [DOI:10.1177/1077546312456865]
Hervas JR, Reyhanoglu M, Tang H. Thrust-vector control of a tree-axis stabilized spacecraft with fuel slosh dynamics. 13th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 20-23 Oct 2013, Gwangju, South Korea. Piscataway: IEEE; 2013. [Link]
Navabi M, Soleymanpour S. Command filtered modular adaptive backstepping attitude control of spacecraft in presence of disturbance torque. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(7):285-296. [Persian] [Link]
Navabi M, Hosseini MR. Modeling and spacecraft attitude control using reaction wheel with feedback linearization, its performance study subject to power and EULERINT. Modares Mechanical Engineering. 2018;18(1):51-61. [Persian] [Link]
Meirovitch L, Kwak MK. State equations for a spacecraft with maneuvering flexible appendages in terms of quasi-coordinates. Applied Mechanics Reviews. 1989;42(11S):S161-S170. [Link] [DOI:10.1115/1.3152387]
Navabi M, Davoodi A. 3D modeling and control of fuel sloshing in a spacecraft. IEEE 4th International Conference on Knowledge-Based Engineering and Innovation (KBEI), 22-22 Dec 2017, Tehran, Iran. Piscataway: IEEE; 2017. [Link] [DOI:10.1109/KBEI.2017.8324928]