مقاله بررسی ماهواره

مقاله بررسی ماهواره در 48 صفحه ورد قابل ویرایش 

تحلیل پایداری و كنترل سیستم :

درهر پروسه، طراحی سیستم كنترل ازجمله مسائلی است كه از اهمیت ویژه برخوردار بوده و در به ثمررسیدن اهداف پروژه نقش به سزایی خواهد داشت. بسته به اینكه پروسه مورد نظر چه خصوصیاتی داشته باشد، ساختار سیستم كنترل لازم جهت تحقق اهداف كنترلی نیز تحت تأثیر قرارگرفته و دستخوش پیچیدگی پروسه و همچنین شرایط محیطی قرارخواهد گرفت.

درسیستمهای هوافضا كه كاربردهای فراوانی نظیر حمل و نقل، صنایع نظامی و... دارند پروسه هدایت و ناوبری از حساسترین وپیچیده ترین پروسه های كنترلی می‌باشد. بنابراین طراحی یك سیستم كنترل كه بتواند اهداف كنترلی خاص چنین سیستمهایی را محقق سازد مستلزم برخورداری از یك سری ویژگی ها و قابلیتهای منحصر به فرد خواهد بود. بنابراین تحقق این ویژگیها كه عمدتاً دقت سیستم كنترل و بهینه سازی می باشد (مشتمل بر مینیمم سازی هزینه و مینیمم سازی خطای پروسه است) درخصوص سیستمهای هوافضا كه عموماً حساس و پیچیده می باشند امری حیاتی و اجتناب ناپذیر خواهد بود.

همانگونه كه خواهیم دید ماهواره به  عنوان عضوی از این خانواده دارای رفتاری پیچیده بوده كه معادلات دینامیك حاكم براین رفتار از نوع غیرخطی ترویجی و چند ورودی – چند خروجی می باشد. لذا درراستای ایجادویژگی های مذكور كنترل بهینه با مینیمم كردن شاخص كارایی تعریف شده، سیستم را بهینه سازی می نماید كه طی آن با توجه به محدودیت توانی ماهواره و همچنین به منظور فرآهم آوردن شرایط عملكرد نرمال، ماهواره با دقت بسیار بالا به سمت زمین جهت گیری می كند قانون كنترل را محاسبه نموده و بنابراین انتخابی مناسب و برتر خواهد بود.

حال به منظور تحلیل پایداری و طراحی یك كنترلر مناسب نخست معادلات حاكم بر دینامیك ماهواره را به دست می آوریم. زیرا هنگام مطالعه سیستمهای كنترل باید بتوان سیستمهای دینامیكی را مدل كرده و مشخصات دینامیكی شان را تحلیل كرد.

رفتار دینامیكی بسیاری از سیستمها را می توان برحسب معادلات دیفرانسیل توصیف كرد. همیشه باید به خاطر داشت كه یافتن یك مدل ریاضی مناسب مهمترین بخش تحلیل است.

در مسائل مربوط به كنترل 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 كارهای 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 برعملكرد سیستمهای كنترل و افزایش پیچیدگی از مدلسازی درفضای حالت استفاده می شود.

دینامیك 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 حركت سیستم به صورت زیر درآمد.

حال با توجه به معادله به دست آمده و برای ساده سازی درتست پایداری و طراحی كنترلر برای حركت دورانی ماهواره فرضیات زیر را در نظر می گیریم:

1. كل ماهواره را یك جسم صلب درنظر می گیریم.
2. زوایای اویلر كوچك درنظر گرفته می شوند و درنتیجه با توجه به رابطه

تاریخچه شناسایی و كنترل وضعیت ماهواره :

برای آنكه ماهواره ها بتوانند مأموریتشان را به درستی انجام دهند و اهداف مورد نظر را برآورده كنند لازم است كه وضعیتشان (جهتشان) درفضا كنترل شود. دربررسی كنترل وضعیت ماهواره نخستین پرسشی كه پیش می آید شناسایی وضعیت ماهواره و چگونگی صحت و یا عدم صحت اطلاعات درمورد حالت كنونی آن است تا بتوان درقدم بعدی به تصحیح آن از طریق اعمال كنترل پرداخت. بهمین علت دقت عملكرد زیرسیستم شناسایی وضعیت از اهمیت ویژه ای برخوردار است. علاوه بر آن یكی از مهمترین زیر سیستمها نیز سیستم كنترل وضعیت است كه وظیفه جهت دهی و نگهداشتن جهت ماهواره را برعهده دارد. درواقع سیستم كنترل وضعیت ماهواره به كمك عملكردها و قوانین كنترل، جهت ماهواره را كنترل و آنرا پایداری می نماید. با توجه به مأموریت ماهواره از عملگر ها و قوانین كنترل متفاوت استفاده می شود.

مسأله شناسایی و كنترل وضعیت ماهواره توسط بسیاری از محققین مورد بررسی قرارگرفته است. كه هریك از این تحقیقات دارای نقاط قوت و ضعفی است.

1.  آقای فن و همكاران به مسئله كنترل وضعیت با استفاده از كنترلر PD پرداخته است  دراین كار برای بهبود دقت سمت یابی ماهواره های كوچك از یك چرخ ممنتومی (MW) واقع در محور Pitch ماهواره و میله های مغناطیسی سه محور به عنوان عملگرهای ماهواره برای تولید گشتاور كنترلی استفاده شده است. این طراحی برای ماهواره های كوچك كه در مدار LEO هستند، طراحی شده است. زیرا میله های مغناطیسی تنها می توانند درمدارات LEO كاربرد داشته باشند. ولی این عیب همین روش است . [11]

2.  آقای شوو همكاران یك كنترلر PID مقاوم برای سیستم كنترل وضعیت ماهواره طراحی كرده اند. دراین كار ساختار كنترلر PID برای كنترل وضعیت استفاده شده است و از مفاهیم تئوری كنترل غیر خطی HOO برای مقاوم بودن سیستم نسبت به اغتشاشات وارد به سیستم ماهواره استفاده  شده است. حسن این روش كنترل برروی مانور ماهواره حول زوایای بزرگ می باشد. اما استفاده  از تئوری  كنترل مقاوم و غیر خطی گرچه منجر به طراحی یك كنترلر با عملكرد مطلوبتر می شود ولی غالباً‌ طراحی و پیاده سازی چنین كنترلر هایی پیچیده و دشوار است. [12]

3.  آقای تسیو تراس و همكاران مساله تنظیم را برای معادلات دینامیك سرعت زاویه‌ای برای یك جسم صلب چرخشی حل كردند و با حل این معادلات كنترل‌های خطی بهینه و زیر بهینه نتیجه شده است. ساختار كنترلرهای ساده بوده ولی عیب آن این است كه كنترلی برروی زوایای وضعیت (زوایان اویلر) صورت نمی گیرد و كنترل تنها برروی سرعت زاویه ای (نرخ زوایای اویلر) انجام می گیرد. [13]

4.  آقای لاوتون و همكاران برای مساله كنترل وضعیت یك كنترلر بهینه با حل معادلات همیلتون – جاكوبی – بلمن طراحی كرده اند استفاده از این روش سبب بهبود پاسخ كنترل و ساده شدن حل معادلات بهینه شده است. [14]

5.  آقای پارك و همكاران مساله كنترل وضعیت سه محوره ماهواره رابررسی كرده و دراین كار عدم قطعیتهای ماتریس اینرسی سیستم را نیز لحاظ كرده اند. مزیت این روش ای است كه ماهواره می توان حول زوایای بزرگ مانور انجام دهد. دراین كارگشتاورهای اغتشاشی وارد برماهواره لحاظ نشده است. [15]

6.  آقای شو وهمكاران با استفاده از فیدبك حالت غیرخطی، كنترل وضعیت ماهواره را برای مانورهای بزرگ انجام داده اند و كنترلر طوری طراحی شده كه سیستم نسبت به اغتشاشات وارد برماهواره مقاوم باشد. انجام مانور با زوایای بزرگ برای سیستم وضعیت باتوصیف دینامیكهای غیر خطی همواره بوده و كنترل آن نیز غیرخطی خواهد بود كه مشكل پیاده سازی كنترل غیرخطی وجود دارد [16]

7.  آقای باسالیس و همكاران مساله كنترل وضعیت ماهواره را با استفاده  از روش تطبیقی بررسی كردند و قانون كنترل تطبیقی برای زوایایی كوچك طراحی شده است. گشتاور اغتشاشات حذف شده است. همچنین دراین كار تنها گشتاور آیرودینامیكی وارد بر ماهواره درنظر گرفته شده است و از بقیه گشتاورهای اغتشاشی صرفنظر شده است. پیاده سازی قانون كنترل دراین حالت ساده می باشد. تصحیح نكردن قانون كنترل درمقابل اغتشاشات موجب نامحدود شدن پارامترهای كنترل شده و سیستم كنترل تطبیقی دارای عملكرد نامطلوب خواهد بود. و از نظر عملی سبب می شود كه انتگرال گیرها به حالت اشباع برسند [17]

8.  آقای تابودا و همكاران برای كنترل وضعیت یك ماهواره خاص از كنترل فازی استفاده كرده 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 كنترلی لازم را دربازه خواسته شده توسط كنترل كننده فازی مربوطه دارا نبوند. [18]