Modeling and Identification of Electromechanical Actuators for the ILR-33 AMBER Rocket

• Autorzy: Kierski Jan , Graczyk Hubert

Identyfikatory

DOI

10.14313/PAR_253/53

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i identyfikacja siłowników elektromechanicznych do rakiety ILR-33 BURSZTYN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the work was to develop a method for modeling, testing, and identifying electromechanical actuators for rocket applications. Works were performed using a prototype solution designed for the ILR-33 AMBER suborbital rocket, developed by Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation. A set of physical relationships was used to create system’s mathematical model, including Kirchhoff’s laws, Newton’s laws, and nonlinear friction models. System’s tests were then performed. A new method of results analysis was applied herein to gather unknown parameters for the model and to confirm an elevated level of convergence between both model and experiment in all cases analyzed. The identification approach proved itself to be effective and useful. A complex approach concerning modeling, testing and identification of such actuators was explained for the first time in this paper. The methods presented herein can be applied in other disciplines, wherever electromechanical actuator systems are used, and where their proper identification is necessary to ensure system reliability and safety. Presented solutions are simple to implement, and the test stands do not require expensive measurement equipment. The results obtained permit to create a high-fidelity model at a reasonably low computational cost.

PL

Celem artykułu było przedstawienie metody modelowania, testowania i identyfikacji siłowników elektromechanicznych do zastosowań rakietowych. Prace przeprowadzono z użyciem prototypowego rozwiązania, zaprojektowanego do rakiety suborbitalnej ILR-33 BURSZTYN, rozwijanej przez Sieć Badawczą Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa. Do zbudowania modelu matematycznego systemu wykorzystano zestaw zależności fizycznych, w tym prawa Kirchhoffa, prawa Newtona i nieliniowe modele tarcia. Następnie przeprowadzono badania eksperymentalne układu. Przedstawiona tu nowa metoda analizy wyników badań pozwoliła na pozyskanie brakujących danych do modelu i na uzyskanie wysokiej zbieżności pomiędzy modelem i eksperymentem nimi we wszystkich analizowanych przypadkach. Tym samym wykazano, że przedstawione tu podejście jest efektywne i użyteczne. W artykule po raz pierwszy zaprezentowano kompleksowe podejście do tematu modelowania, badania i identyfikacji tego typu siłowników. Przedstawione tu rozwiązania mogą być zaaplikowane w innych dziedzinach, w których wykorzystywane są siłowniki elektromechaniczne oraz gdzie ich poprawna identyfikacja jest konieczna do zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa pracy systemu. Przedstawione podejście jest proste w implementacji, a stanowiska badawcze nie wymagają kosztownego oprzyrządowania pomiarowego. Otrzymane wyniki pozwalają na stworzenie wiarygodnego modelu o racjonalnie niskim koszcie obliczeniowym.

Słowa kluczowe

EN

suborbital rocket; ILR-33 AMBER; modeling; identification; electromechanical actuator; servo drive; control system

PL

rakieta suborbitalna; ILR-33 BURSZTYN; modelowanie; identyfikacja; siłownik elektromechaniczny; serwomechanizm; system sterowania

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Robotyka
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 28, nr 3
• Strony: 53--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kierski Jan

• Lukasiewicz Research Network - Institute of Aviation, Aleja Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw

• https://orcid.org/0000-0001-7361-6277

autor

Graczyk Hubert

• Lukasiewicz Research Network - Institute of Aviation, Aleja Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw

• https://orcid.org/0009-0000-1219-3303

Bibliografia

• 1. Cieśliński D., Noga T., Pazik A., Polish civil rockets’ development overview, Obronność RP XXI wieku w teorii i praktyce, Wydawnictwo Lotniczej Akademii Wojskowej, 2021, 61-102.
• 2. Pakosz M., Noga T., Kaniewski D., Okniński A., Bartkowiak B., ILR-33 AMBER rocket - quick, low cost and dedicated access to suborbital flights for small experiments, 24 th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, Essen, 2019.
• 3. Noga T., Cieśliński D., Dul S., Umiński P., Dziczkaniec R., Matysek K., On the Safety of Suborbital Rocket Launches from the Polish Coast, “Safety & Defense”, Vol. 9, No. 1, 2023, 31-46, DOI: 10.37105/sd.199.
• 4. Kotarski A., A Concept of Suborbital Scientific Mission and Technology Validation, “Transactions on Aerospace Research”, Nr 3, 2019, 66-74, DOI: 10.2478/tar-2019-0018.
• 5. Ćosić K., Kopriva I., Kostić T., Slamić M., Volarević M., Design and implementation of a hardware-in-the-loop simulator for a semi-automatic guided missile system, “Simulation Practice and Theory”, Vol. 7, No. 2, 1999, 107-123, DOI: 10.1016/S0928-4869(98)00027-5.
• 6. Kim S.H., Tahk M.-J., Lee H.-J., Kim S.-H., Experimental study on integrated servo control for canard-controlled missiles [Correspondence], “IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems”, Vol. 52, No. 3, 2016, 1467-1474, DOI: 10.1109/TAES.2016.150211.
• 7. Gurav B., Economou J., Saddington A., Knowles K., Multi-Mode Electric Actuator Dynamic Modelling for Missile Fin Control, “Aerospace”, Vol. 4, No. 2, 2017. DOI: 10.3390/aerospace4020030.
• 8. Campa R., Torres E., Salas F., Santibáñez V., On Modeling and Parameter Estimation of Brushless DC Servoactuators for Position Control Tasks, “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 41, No. 2, 2008, 2312-2317, DOI: 10.3182/20080706-5-KR-1001.00390.
• 9. Czerwiński E., Olejnik P. Awrejcewicz J., Modeling And Parameter Identification Of Vibrations Of A Double Torsion Pendulum With Friction, “Acta Mechanica et Automatica”, Vol. 9, No. 4, 2015, 204-212, DOI: 10.1515/ama-2015-0033.
• 10. Skjetne R., Egeland O., Hardware-in-the-loop testing of marine control system, “Modeling”, Vol. 27, No. 4, 2006, 239-258, DOI: 10.4173/mic.2006.4.3.
• 11. Yong-guang L., Qin L., Design of the Test Platform of Servo System, Proceedings of the 1st International Conference on Mechanical Engineering and Material Science, 2012, 203-205, DOI: 10.2991/mems.2012.55.
• 12. Andersson S., Söderberg A., Björklund S., Friction models for sliding dry, boundary and mixed lubricated contacts, “Tribology International”, Vol. 40, No. 4, 2007, 580-587, DOI: 10.1016/j.triboint.2005.11.014.
• 13. Sahbon N., Murpani S., Michałów M., Miedziński D., Sochacki M., A CFD Study of the Aerodynamic Characteristics of Twardowsky and FOK Rockets, “Transactions on Aerospace Research”, No. 1, 2022, 35-58, DOI: 10.2478/tar-2022-0003.
• Other sources
• 14. Faulhaber technical manual nr 7000.05048, 2019.
• 15. Brushless DC-Servomotors, [www.faulhaber.com/en/products/series/2264bp4].
• 16. Planetary Gearheads Series 26/1R, [www.faulhaber.com/en/products/series/261r].
• 17. AXIS, FSC10, [www.axis.pl/pl/fsc/454-fsc10.html].
• 18. KTR, Sprzęgło ślizgowe RUFLEX z elastomerem ROTEX, [www.ktr.com/pl/produkty/ruflex-sprzegla-slizgowe-piasty-slizgowe/ruflex-z-rotex/].
• 19. FAULHABER Motion Manager, [www.faulhaber.com/en/support/faulhaber-motion-manager/].
• 20. AXIS, AXIS Darmowe Oprogramowanie, [www.axis.pl/pl/73-darmowe].

Uwagi

The works are funded by the Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation. Authors are grateful for the support and wish to acknowledge the ILR-33 AMBER project team members involved in the control system development.