Wave-based attitude control of spacecraft with fuel sloshing dynamics

• Autorzy: Thompson J. W. , O'Connor W.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0015

Warianty tytułu

PL

Sterowanie położeniem statku kosmicznego oparte na podejściu falowym z uwzględnieniem dynamiki przelewającego się płynu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Wave-Based Control has been previously applied successfully to simple underactuated flexible mechanical systems. Spacecraft and rockets with structural flexibility and sloshing are examples of such systems but have added difficulties due to nonuniform structure, external disturbing forces and non-ideal actuators and sensors. The aim of this paper is to extend the application of WBC to spacecraft systems, to compare the performance of WBC to other popular controllers and to carry out experimental validation of the designed control laws. A mathematical model is developed for an upper stage accelerating rocket moving in a single plane. Fuel sloshing is represented by an equivalent mechanical pendulum model. A wave-based controller is designed for the upper stage AVUM of the European launcher Vega. In numerical simulations the controller successfully suppresses the sloshing motion. A major advantage of the strategy is that no measurement of the pendulum states (sloshing motion) is required.

PL

Sterowanie oparte na podejściu falowym było w przeszłości stosowane z powodzeniem do prostych, elastycznych systemów mechanicznych, w których liczba sygnałów sterujących jest mniejsza od liczby stopni swobody. Rakiety i statki kosmiczne, strukturalnie elastyczne, w których występuje zjawisko przelewania się płynu, są przykładami takich systemów, lecz nastręczają dodatkowe trudności z powodu niejednorodnej struktury, zewnętrznych sił zakłócających i nieidealnych elementów wykonawczych i czujników. Celem pracy jest zastosowanie sterowania opartego na podejściu falowym (WBC) do systemów statków kosmicznych, porównanie efektów strategii WBC z działaniem innych popularnych regulatorów i eksperymentalne potwierdzenie poprawności opracowanych praw sterowania. Opracowano model matematyczny dla górnego stopnia rakiety przyspieszającej poruszającej się w pojedynczej płaszczyźnie. Przelewanie się płynu jest reprezentowane przez równoważny model wahadła mechanicznego. Układ sterujący typu WBC został zaprojektowany dla górnego stopnia AVUM europejskiej rakiety nośnej Vega. Symulacja numeryczna wykazała, że układ sterowania z powodzeniem tłumi ruchy wywołane przelewaniem się płynu. Zaletą tej strategii jest, że nie są wymagane żadne pomiary stanów wahadła (ruchów przelewającego się płynu).

Słowa kluczowe

EN

spacecraft dynamics; attitude control; flexible systems; sloshing; mechanical waves

PL

dynamika statku kosmicznego; sterowanie położeniem; systemy elastyczne; przelewanie się; fale mechaniczne

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 2
• Strony: 263--275
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Thompson J. W.

• School of Mechanical and Materials Engineering, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland

autor

O'Connor W.

• School of Mechanical and Materials Engineering, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland

Bibliografia

• [1] Haeussermann W.: Developments in the field of automatic guidance and control of rockets. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 4(3), 225-239, May 1981.
• [2] Reyhanoglu M.: Modeling and Control of Space Vehicles with Fuel Slosh Dynamics. 2004.
• [3] O’Connor W.J.: Excellent control of flexible systems. Control, pages 6181-6186, 2005.
• [4] O’Connor W.J., Lang D.: Position Control of Flexible Robot Arms Using Mechanical Waves. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 120(3), 334, 1998.
• [5] O’Connor W.J., Fumagalli A.: Refined Wave-Based Control Applied to Nonlinear, Bending, and Slewing Flexible Systems. Journal of Applied Mechanics, 76(4), 041005, 2009.
• [6] O’Connor W.J.: A Gantry Crane Problem Solved. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 125(4), 569, 2003.
• [7] Dodge F.T.: The New ”Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers”. Southwest Research Institute, 2000.
• [8] O’Connor W.J.: Wave-like modelling of cascaded, lumped, flexible systems with an arbitrarily moving boundary. Journal of Sound and Vibration, 330(13), 3070-3083, 2011.
• [9] Perez E.: Vega User’s Manual, Issue 3, Revision 0.(3), 188, 2006.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.