مقاله بررسی ماهواره در 48 صفحه ورد قابل ویرایش
تحلیل پایداری و کنترل سیستم :
درهر پروسه، طراحی سیستم کنترل ازجمله مسائلی است که از اهمیت ویژه برخوردار بوده و در به ثمررسیدن اهداف پروژه نقش به سزایی خواهد داشت. بسته به اینکه پروسه مورد نظر چه خصوصیاتی داشته باشد، ساختار سیستم کنترل لازم جهت تحقق اهداف کنترلی نیز تحت تأثیر قرارگرفته و دستخوش پیچیدگی پروسه و همچنین شرایط محیطی قرارخواهد گرفت.
درسیستمهای هوافضا که کاربردهای فراوانی نظیر حمل و نقل، صنایع نظامی و... دارند پروسه هدایت و ناوبری از حساسترین وپیچیده ترین پروسه های کنترلی میباشد. بنابراین طراحی یک سیستم کنترل که بتواند اهداف کنترلی خاص چنین سیستمهایی را محقق سازد مستلزم برخورداری از یک سری ویژگی ها و قابلیتهای منحصر به فرد خواهد بود. بنابراین تحقق این ویژگیها که عمدتاً دقت سیستم کنترل و بهینه سازی می باشد (مشتمل بر مینیمم سازی هزینه و مینیمم سازی خطای پروسه است) درخصوص سیستمهای هوافضا که عموماً حساس و پیچیده می باشند امری حیاتی و اجتناب ناپذیر خواهد بود.
همانگونه که خواهیم دید ماهواره به عنوان عضوی از این خانواده دارای رفتاری پیچیده بوده که معادلات دینامیک حاکم براین رفتار از نوع غیرخطی ترویجی و چند ورودی – چند خروجی می باشد. لذا درراستای ایجادویژگی های مذکور کنترل بهینه با مینیمم کردن شاخص کارایی تعریف شده، سیستم را بهینه سازی می نماید که طی آن با توجه به محدودیت توانی ماهواره و همچنین به منظور فرآهم آوردن شرایط عملکرد نرمال، ماهواره با دقت بسیار بالا به سمت زمین جهت گیری می کند قانون کنترل را محاسبه نموده و بنابراین انتخابی مناسب و برتر خواهد بود.
حال به منظور تحلیل پایداری و طراحی یک کنترلر مناسب نخست معادلات حاکم بر دینامیک ماهواره را به دست می آوریم. زیرا هنگام مطالعه سیستمهای کنترل باید بتوان سیستمهای دینامیکی را مدل کرده و مشخصات دینامیکی شان را تحلیل کرد.
رفتار دینامیکی بسیاری از سیستمها را می توان برحسب معادلات دیفرانسیل توصیف کرد. همیشه باید به خاطر داشت که یافتن یک مدل ریاضی مناسب مهمترین بخش تحلیل است.
در مسائل مربوط به کنترل بهینه و سیستمهای چند ورودی و چندخروجی استفاده از نمایش فضای حالت مفید تر است .
روند نوین درمهندسی سیستمها به سمت پیچیدگی بیشتر است، علت اصلی این امر لزوم انجام کارهای پیچیده و دقت بیشتر است. سیستمهای پیچیده می توانند چند ورودی و چند خروجی داشته، متغیر با زمان باشند. به خاطر لزوم برآوردن قیدهای سخت تر برعملکرد سیستمهای کنترل و افزایش پیچیدگی از مدلسازی درفضای حالت استفاده می شود.
دینامیک وضعیت ماهواره و فرضیات
درفصل سوم پس از المان گیری از عنصر جرم واقع درباس سیستم ماهواره و پس از انتگرال گیری از عنصر جرم معادله حرکت سیستم به صورت زیر درآمد.
حال با توجه به معادله به دست آمده و برای ساده سازی درتست پایداری و طراحی کنترلر برای حرکت دورانی ماهواره فرضیات زیر را در نظر می گیریم:
تاریخچه شناسایی و کنترل وضعیت ماهواره :
برای آنکه ماهواره ها بتوانند مأموریتشان را به درستی انجام دهند و اهداف مورد نظر را برآورده کنند لازم است که وضعیتشان (جهتشان) درفضا کنترل شود. دربررسی کنترل وضعیت ماهواره نخستین پرسشی که پیش می آید شناسایی وضعیت ماهواره و چگونگی صحت و یا عدم صحت اطلاعات درمورد حالت کنونی آن است تا بتوان درقدم بعدی به تصحیح آن از طریق اعمال کنترل پرداخت. بهمین علت دقت عملکرد زیرسیستم شناسایی وضعیت از اهمیت ویژه ای برخوردار است. علاوه بر آن یکی از مهمترین زیر سیستمها نیز سیستم کنترل وضعیت است که وظیفه جهت دهی و نگهداشتن جهت ماهواره را برعهده دارد. درواقع سیستم کنترل وضعیت ماهواره به کمک عملکردها و قوانین کنترل، جهت ماهواره را کنترل و آنرا پایداری می نماید. با توجه به مأموریت ماهواره از عملگر ها و قوانین کنترل متفاوت استفاده می شود.
مسأله شناسایی و کنترل وضعیت ماهواره توسط بسیاری از محققین مورد بررسی قرارگرفته است. که هریک از این تحقیقات دارای نقاط قوت و ضعفی است.
1. آقای فن و همکاران به مسئله کنترل وضعیت با استفاده از کنترلر PD پرداخته است دراین کار برای بهبود دقت سمت یابی ماهواره های کوچک از یک چرخ ممنتومی (MW) واقع در محور Pitch ماهواره و میله های مغناطیسی سه محور به عنوان عملگرهای ماهواره برای تولید گشتاور کنترلی استفاده شده است. این طراحی برای ماهواره های کوچک که در مدار LEO هستند، طراحی شده است. زیرا میله های مغناطیسی تنها می توانند درمدارات LEO کاربرد داشته باشند. ولی این عیب همین روش است . [11]
2. آقای شوو همکاران یک کنترلر PID مقاوم برای سیستم کنترل وضعیت ماهواره طراحی کرده اند. دراین کار ساختار کنترلر PID برای کنترل وضعیت استفاده شده است و از مفاهیم تئوری کنترل غیر خطی HOO برای مقاوم بودن سیستم نسبت به اغتشاشات وارد به سیستم ماهواره استفاده شده است. حسن این روش کنترل برروی مانور ماهواره حول زوایای بزرگ می باشد. اما استفاده از تئوری کنترل مقاوم و غیر خطی گرچه منجر به طراحی یک کنترلر با عملکرد مطلوبتر می شود ولی غالباً طراحی و پیاده سازی چنین کنترلر هایی پیچیده و دشوار است. [12]
3. آقای تسیو تراس و همکاران مساله تنظیم را برای معادلات دینامیک سرعت زاویه‌ای برای یک جسم صلب چرخشی حل کردند و با حل این معادلات کنترل‌های خطی بهینه و زیر بهینه نتیجه شده است. ساختار کنترلرهای ساده بوده ولی عیب آن این است که کنترلی برروی زوایای وضعیت (زوایان اویلر) صورت نمی گیرد و کنترل تنها برروی سرعت زاویه ای (نرخ زوایای اویلر) انجام می گیرد. [13]
4. آقای لاوتون و همکاران برای مساله کنترل وضعیت یک کنترلر بهینه با حل معادلات همیلتون – جاکوبی – بلمن طراحی کرده اند استفاده از این روش سبب بهبود پاسخ کنترل و ساده شدن حل معادلات بهینه شده است. [14]
5. آقای پارک و همکاران مساله کنترل وضعیت سه محوره ماهواره رابررسی کرده و دراین کار عدم قطعیتهای ماتریس اینرسی سیستم را نیز لحاظ کرده اند. مزیت این روش ای است که ماهواره می توان حول زوایای بزرگ مانور انجام دهد. دراین کارگشتاورهای اغتشاشی وارد برماهواره لحاظ نشده است. [15]
6. آقای شو وهمکاران با استفاده از فیدبک حالت غیرخطی، کنترل وضعیت ماهواره را برای مانورهای بزرگ انجام داده اند و کنترلر طوری طراحی شده که سیستم نسبت به اغتشاشات وارد برماهواره مقاوم باشد. انجام مانور با زوایای بزرگ برای سیستم وضعیت باتوصیف دینامیکهای غیر خطی همواره بوده و کنترل آن نیز غیرخطی خواهد بود که مشکل پیاده سازی کنترل غیرخطی وجود دارد [16]
7. آقای باسالیس و همکاران مساله کنترل وضعیت ماهواره را با استفاده از روش تطبیقی بررسی کردند و قانون کنترل تطبیقی برای زوایایی کوچک طراحی شده است. گشتاور اغتشاشات حذف شده است. همچنین دراین کار تنها گشتاور آیرودینامیکی وارد بر ماهواره درنظر گرفته شده است و از بقیه گشتاورهای اغتشاشی صرفنظر شده است. پیاده سازی قانون کنترل دراین حالت ساده می باشد. تصحیح نکردن قانون کنترل درمقابل اغتشاشات موجب نامحدود شدن پارامترهای کنترل شده و سیستم کنترل تطبیقی دارای عملکرد نامطلوب خواهد بود. و از نظر عملی سبب می شود که انتگرال گیرها به حالت اشباع برسند [17]
8. آقای تابودا و همکاران برای کنترل وضعیت یک ماهواره خاص از کنترل فازی استفاده کرده اند. اما دراین حالت از عملگر موجود به صورت بهینه استفاده نشده و نتایج حاصله ازدقت خوبی برخوردار نبوده اند. زیرا عملگرهای مورد استفاده توانایی ایجاد گشتاور کنترلی لازم را دربازه خواسته شده توسط کنترل کننده فازی مربوطه دارا نبوند. [18]