Controle por modos deslizantes aplicado ao movimento de atitude de satélites submetidos aos torques perturbadores gerados pelo movimento de um líquido

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Adriana Cavalcante Agostinho
• Orientador(a): Evandro Marconi Rocco
• Banca de defesa: Willer Gomes dos Santos, Alain Giacobini de Souza, Aguinaldo Cardozo da Costa 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: Controlling the attitude of the satellite means pointing and maintaining the vehicle's pointing according to the requirements defined during a space mission design, the function of controlling the attitude is performed, autonomously and independently, by the Attitude Control Subsystem (ACS). This thesis studies the non-linear control technique applied to the attitude movement of the satellite, subjected to perturbations generated by the movement of the liquid, called sloshing, inside the fuel tank, in a microgravity environment. In space, sloshing has a chaotic movement and its effect on the control system can have direct consequences on the attitude of a vehicle, generating uncertainties in attitude determination and pointing errors capable of compromising the mission objectives for which it was designed. The major difficulty with the sloshing study is to define a mathematical model that describes its behavior in microgravity, as well as accurately define parameters, which vary with time, such as mass of the vehicle and fuel, damping and stiffness. In this thesis the application of the Sliding Mode Control (SMC) in the ACS project of a space vehicle, subjected to sloshing action, is studied. The advantage of SMC is its relative structural simplicity, robustness to variations in system parameters and low sensitivity to external disturbances and uncertainties. In order to observe these characteristics two studies were carried out in the first stage. The first study compared the performance of the SMC with the classic PID, it was concluded that both had a transient and stationary performance nearby. In the second study, uncertainties in the actuators were considered and again the SMC and PID controls were compared. It was conclude that the SMC presents transient performance better than the PID. In a second stage, a study was carried out with the purpose of verifying the robustness of the SMC with sloshing disturbances. A mechanical analog system mass-spring-damper was considered coupled to each coordinate axis of the tank in three-dimensional space. Three approaches were applied to obtain the mathematical model of liquid movement: Newtonian, Lagrangian and collision theory between bodies. SMC control was robust due to the presence of this type of disturbance.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.17.18.21

Controlar a atitude do satélite significa apontar e manter o apontamento do veículo de acordo com os requisitos definidos durante uma missão espacial a função de controlar a atitude desse veículo espacial é desempenhada, de forma autônoma e independente, pelo Subsistema de Controle de Atitude (SCA). Nesta tese estuda-se a aplicação de técnica de controle não-linear ao movimento de atitude do satélite submetido a perturbações provenientes do movimento do líquido, denominado sloshing, em ambiente de microgravidade. No espaço, o sloshing apresenta um comportamento caótico e o seu efeito na malha de controle pode ter consequências diretas na atitude de um veículo, gerando incertezas na determinação da atitude e erros de apontamento capazes de comprometer os objetivos da missão para o qual foi projetado. A maior dificuldade envolvendo o estudo sobre sloshing é definir um modelo matemático que descreva o seu comportamento em microgravidade, bem como definir com exatidão parâmetros, que variam com o tempo, como massa do veiculo e combustível, amortecimento e rigidez. Neste trabalho estudase a aplicação do Controle por Modos Deslizantes (SMC) no projeto do SCA de um veículo espacial submetido à ação do sloshing. O SMC tem como vantagem sua relativa simplicidade estrutural, robustez a variações nos parâmetros do sistema e baixa sensibilidade a perturbações externas e incertezas. Visando observar essas características dois estudos foram realizados na primeira etapa. O primeiro estudo comparou o desempenho do SMC ao clássico PID, e concluiu-se que ambos apresentavam um desempenho transitório e estacionário próximos. No segundo estudo, incertezas nos atuadores foram consideradas e, novamente, os controles SMC e PID foram comparados. Concluiu-se que o SMC apresenta desempenho transitório melhor que o PID. A segunda etapa do estudo foi considerar perturbações geradas pelo sloshing com o intuito de verificar a robustez do SMC. Um sistema mecânico análogo massa-mola-amortecedor foi considerado em cada eixo de coordenadas do tanque no espaço tridimensional. Três abordagens foram aplicadas para se obter o modelo matemático do movimento do líquido: newtoniana, lagrangiana e teoria da colisão entre corpos. O controle SMC foi robusto perante a esse tipo de perturbação.