مدل‌سازی دینامیکی و طراحی کنترل وضعیت یک فضاپیما در حضور تلاطم | ||
| مکانیک سازه ها و شاره ها | ||
| دوره 11، شماره 2، خرداد و تیر 1400، صفحه 25-40 اصل مقاله (1.17 M) | ||
| نوع مقاله: یادداشتهای فنی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22044/jsfm.2021.2168 | ||
| نویسندگان | ||
| عبدالمجید خوشنود* 1؛ علی امین زاده2؛ سید مهدی حسنی3؛ پیمان نیک پی4 | ||
| 1دانشیار ، دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی | ||
| 2دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی | ||
| 3دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی | ||
| 4عضو هیات علمی، پژوهشکده سامانه های ماهواره، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| این مقاله به مدل‌سازی دینامیک تلاطم سوخت داخل مخزن فضاپیما و تأثیر آن بر کنترل فضاپیما پرداخته است. تلاطم ناشی از حرکت سوخت موجود در مخزن سیستم پیشران فضاپیما بر کنترل و پایداری آن بسیار تأثیرگذار است. این تأثیر که از تداخل نیرویی و گشتاوری تلاطم با سیستم کنترل فضاپیما ناشی می‌شود، به‌صورت فیدبکی در سیستم کنترل ظاهر خواهد شد. با توجه به‌سادگی تحلیل معادلات حرکت یک جرم متمرکز و جسم صلب نسبت به معادلات دینامیک سیال و به دنبال آن کاهش یافتن حجم محاسبات، می‌توان دینامیک تلاطم سوخت را با یک مدل مکانیکی جایگزین نمود؛ بنابراین در این پژوهش برای بررسی اثر دینامیک تلاطم سوخت مایع بر کنترل و پایداری فضاپیما، تلاطم سوخت به‌صورت یک سیستم مکانیکی خطی مدل‌سازی شده است. بدین منظور دو مدل جرم-فنر و پاندول برای مدل‌سازی دینامیک تلاطم موردبررسی قرار گرفته و پارامترهای هریک نیز برای شبیه‌سازی مدهای غالب تلاطم محاسبه گردیده است. به ازای هر دو مدل جرم-فنر و پاندول، معادلات دینامیک سیستم خطی سازی شده و سپس با قرار دادن مقادیر پارامترهای فیزیکی هرکدام از سیستم‌ها و در نظر گرفتن متغیرهای حالت و کنترل، معادلات سیستم به فرم فضای حالت استخراج شده و درنهایت کنترل‌کننده بهینه خطی بر روی آن اعمال گردید. نتایج پاسخ زمانی متغیرهای حالت در هر دو مدل و همچنین متغیرهای کنترلی نشان از پایداری سیستم و کاهش اثر تلاطم در وضعیت ماهواره دارد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| تلاطم سوخت؛ فضاپیما؛ مدل جرم و فنر؛ مدل پاندول؛ کنترلر LQR | ||
| مراجع | ||
|
[1] Zhukoskii NE (1964) On the motion of a rigid body having cavities filled with a homogeneous liquid. Collected Works.
[2] Okhotsimskii DE (1960) Theory of the motion of a body with cavities partly filled with a liquid. NASA.
[3] Dodge FT (2000) The new dynamic behavior of liquids in moving containers. Southwest Research Inst. San Ant., TX.
[4] Jafari A, Khoshnood AM, Roshanian J (2010) Nonlinear dynamic modeling and active vibration control of a system with fuel sloshing. World Acad Sci, Eng Tech 61: 269-274.
[5] Chatman YR (2008) Modeling and Parameter Estimation of Spacecraft Lateral Fuel Slosh. Theses - Daytona Beach 28.
[6] Kurode S, Bandyopadhyay B, Gandhi B (2009) Sliding mode observer for estimation of slosh states in a moving container. in Ind Tech, ICIT. IEEE International Conference on.
[7] Thakar PS, Bandyopadhyay B, Gandhi B, Kurode S (2012) Robust control of rotary slosh using integral sliding modes. in Variable Struc Sys (VSS), 12th International Workshop on.
[8] Cho S, McClamroch M, Reyhanoglu M (2000) Feedback control of a space vehicle with unactuated fuel slosh dynamics. in AIAA Guid., Nav., and Cont. Conf. and Exh.
[9] Reyhanoglu M, Hervas JR (2011) Nonlinear control of a spacecraft with multiple fuel slosh modes. in Dec. and Cont. and Europ. Cont. Conf. (CDC-ECC), 50th IEEE Conf. on.
[10] Reyhanoglu M, Hervas JR (2012) Nonlinear dynamics and control of space vehicles with multiple fuel slosh modes. Cont Eng Prac 20: 912-918.
[11] Souza LCG de, Souza AG de (2014) Satellite attitude control system design considering the fuel slosh dynamics. Shock and Vib 2014.
[12] Hervas JR, Reyhanoglu M (2014) Thrust-vector control of a three-axis stabilized upper-stage rocket with fuel slosh dynamics. Acta Astro 98: 120-127.
[13] Navabi M, Davoodi A (2017) 3D modeling and control of fuel sloshing in a spacecraft. in 2017 IEEE 4th Int. Conf. on Know.-Based Eng. and Inn. (KBEI).
[14] Zhang H, Wang ZJJOS (2016) Attitude control and sloshing suppression for liquid-filled spacecraft in the presence of sinusoidal disturbance. J Sound Vib 383: 64-75.
[15] Deng M, Yue BJAA (2017) Nonlinear model and attitude dynamics of flexible spacecraft with large amplitude slosh. ACTA Astronaut 133: 111-120.
[16] Gasbarri P, Sabatini M, Pisculli AJAA (2016) Dynamic modelling and stability parametric analysis of a flexible spacecraft with fuel slosh. ACTA Astronaut 127: 141-159.
[17] Navabi M, Davoodi A, Reyhanoglu M (2019) Modeling and control of a nonlinear coupled spacecraft-fuel system. ACTA Astronaut 162: 436-446.
[18] Coulter N, Moncayo H (2020) Comparison of Optimal and Bioinspired Adaptive Control Laws for Spacecraft Sloshing Dynamics. J Spc Rock57: 12-32.
[19] Coulter N (2018) design of an attitude control system for a spacecraft with propellant slosh dynamics. Dissertations and Theses 424.
[20] Mazmanyan L, Ayoubi MA (2018) Fuzzy attitude control of spacecraft with fuel sloshing via linear matrix inequalities. IEEE T Aero Elec Sys 54: 2526-2536.
[21] Navabi M, Davoodi A (2019) 2D Modeling and Fuzzy Control of Slosh Dynamics in a Spacecraft. in 2019 5th Conf. on Know. Based Eng. and Inn. (KBEI).
[22] Navabi M, Davoodi A, Reyhanoglu M (2020) Optimum fuzzy sliding mode control of fuel sloshing in a spacecraft using PSO algorithm. ACTA Astronaut 167: 331-342.
[23] محمد نوابی و علی داودی، (2019) "مدل سازی و کنترل تلاطم سوخت و اثر آن روی وضعیت فضاپیما"، علوم و فناوری فضایی، 11، 11-22.
[24] Navabi M, Davodi A (2019) Modeling of Fuel Sloshing in a Spacecraft and Control it by Active Control Method Using Nonlinear Control. Modares Mechanical Engineering 19: 2121-2128. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1,782 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,184 |
||