Estudo do uso de métodos de controle robusto em sistemas espaciais rígidos-flexíveis

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Alain Giacobini de Souza
• Orientador(a): Luiz Carlos Gadelha de Souza
• Banca de defesa: Mario Cesar Ricci, André Fenili, Luiz de Siqueira Martins Filho
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: Space industry demand for more sophisticated and reliable Attitude Control Systems (ACS) grows as space missions become more complex. An ACS needs good performance and robustness in satellite-related missions in formation around the Earth to space missions that aim to investigate planets outside our solar system. An example of this is the recent space mission of the (rigid-flexible) satellite Juno to the planet Jupiter. In this thesis we study the application of robust control techniques in the design of ACS of rigid satellites with flexible movements and of liquid in their interior (slosh). On the other hand, the great difficulty of obtaining a realistic mathematical model of the rigid-flexible satellite with sloshing is related to the lack of exact knowledge of the satellite parameters, such as mass, damping and stiffness, since these vary with time, and therefore, introduce uncertainties that also undermine the appropriate SCA project. Faced with such challenges, robust control techniques are being studied, such as H$\infty$ and H$\infty$ with pole allocation via linear matrix inequalities (LMI), aiming to increase the robustness of ACS. In the satellite modeling, the perturbations due to the flexible movement, and the liquids and the uncertainties due to the variation of the parameters are considered. Initially, a model of a rigid-flexible satellite with sloshing is presented. For this model, a ACS is projected by the H$\infty$ method and it is verified that this controller performs well since it controls and stabilizes the attitude of the satellite. It then performs a comparative investigation of the performance of the ACS projected designed for a rigid-flexible satellite model, using the H$\infty$ method without and with uncertainty; And H$\infty$ with pole allocation via LMI, without and with uncertainty. For both cases, the uncertainty is inserted in the dynamics of the mass matrix, damping and stiffness. For the allocation of poles, four LMI regions were studied, resulting in the choice of the region that presented the best performance. It was verified that the uncertainty has greater influence on the mass matrix through a detailed study of the level of torque used by the ACS. The simulations showed that the most robust ACS was obtained using the H$\infty$ method with pole allocation via LMI compared to SCA designed by the H$\infty$ method. Finally, it was verified that the H$\infty$ controller designed with high level of uncertainty, was able to control the nonlinear rigid-flexible satellite model, this result establishes a new characteristic of the H$\infty$ method.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m16c/2017/01.17.17.34

A demanda da indústria espacial por Sistemas de Controle de Atitude (SCA) mais sofisticados e confiáveis cresce na mesma proporção que as missões espaciais tornam-se mais complexas. Um SCA precisa de bom desempenho e robustez em missões relacionadas com satélite em formação em torno da Terra até missões espaciais que visam investigar planetas fora do nosso sistema solar. Um exemplo disso é a recente missão espacial do satélite (rígido-flexível) Juno ao planeta Júpiter. Nesta tese estuda-se a aplicação de técnicas de controle robusta no projeto de SCA de satélites rígido com movimentos flexíveis e de líquidos em seu interior (sloshing). Uma vez que tais movimentos podem causar perturbações na dinâmica do satélite, afetando assim o desempenho do SCA e provocando a perda de precisão e/ou até mesmo a desestabilização do satélite. Por outro lado, a grande dificuldade de se obter um modelo matemático realístico do satélite rígido-flexível com \emph{sloshing} esta relacionado ao não conhecimento exato dos parâmetros do satélite, como massa, amortecimento e rigidez, uma vez que estes variam com o tempo, e por isso, introduzem incertezas que também prejudicam o adequado projeto do SCA. Diante de tais desafios, neste trabalho são estudadas técnicas de controle robusto, como o H$\infty$ e H$\infty$ com alocação de polos via desigualdades matricial linear (Linear Matrix Inequality LMI), objetivando incrementar a robustez dos SCA. No modelamento do satélite considera-se as perturbações devido ao movimento flexível e dos líquidos e as incertezas devido à variação dos parâmetros. Inicialmente, faz-se o modelamento de um satélite rígidoflexível com \emph{sloshing}. Para este modelo, projeta-se um SCA pelo método H$\infty$ e verifica-se que este controlador tem bom desempenho uma vez que controla e estabiliza a atitude do satélite. Em seguida faz uma investigação comparativa do desempenho do SCA projetado para um modelo de satélite rígido-flexível, utilizando o método H$\infty$ sem e com incerteza; e do H$\infty$ com alocação de polos via LMI, sem e com incerteza. Para ambos os casos, a incerteza é inserida na dinâmica da matriz massa, amortecimento e rigidez. Para a alocação de polos foram estudados quatros regiões LMI resultando na escolha da região que apresentou melhor desempenho. Verificou-se que a incerteza tem maior influencia na matriz massa por meio de um estudo detalhado do nível de torque empregado pelo SCA. As simulações mostraram, que o SCA mais robusto foi obtido usando o método H$\infty$ com alocação de polos via LMI comparado ao SCA projetado pelo método H$\infty$ puro. Por fim, verificou-se que o controlador H$\infty$ projetado com alto nível de incerteza, foi capaz de controlar o modelo do satélite rígido-flexível não linear, este resultado estabelece uma nova característica do método H$\infty$.