Estudo experimental da dinâmica e do sistema de controle de um satélite rígido-flexível

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: João Carlos Vilela de Castro
• Orientador(a): Luiz Carlos Gadelha de Souza
• Banca de defesa: Pedro Paglione, Luiz de Siqueira Martins Filho
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: The main objective of this work is an experimental study of the dynamics and control system of a rigid flexible satellite. In the experimental model one uses the FlexGage equipment, manufactured by the Quanser Company, which represents an artificial satellite with a central rigid structure connected to a flexible appendage. Through the Lagrangian formulation one develops two mathematical models for the system. The first uses a mass-spring configuration to describe the rigid-flexible dynamics and the second uses the assumed modes method to describe the various vibration modes of the system. The following three control techniques, Linear Quadratic Regulator (LQR), Linear Quadratic Gaussian (LQG) and the H infinity (H-inf), are used to design the controller. The controller objective designed by each techniques is to make the system follow a predefined reference and, at the same time, damping the remaining appendage vibration. After computational controllers performance investigation, they are implemented in the experimental set up using the Quansar's software, WinCon. Thus, using the hardware in the loop configuration, the controllers are experimental studied and compared with the computational simulations results. Emphasis is given to the H-inf method, since it is a relatively recent technique and its space application is rare. From the results, it was found that the controllers have a good performance for the simulated cases, with quickly time response and adequately dapping the panel vibrations. On the other hand, when the same controllers are applied experimentally, their performance has been degraded, mainly the H-inf controller. One believes that the controller performance degradation is related to experimental model imprecision and that this performance could be improved if one takes into account the model uncertainties in the design.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/04.02.22.07

Este trabalho tem como objetivo o estudo experimental da dinâmica e do sistema de controle de um satélite rígido flexível. Utiliza-se, como modelo experimental o equipamento FlexGage fabricado pela empresa Quanser, o qual representa um satélite artificial com uma estrutura rígida central ligada a um apêndice flexível. Aplica-se a formulação Lagrangiana para desenvolver dois modelos matemáticos para o sistema rígido-flexível. O primeiro utiliza uma configuração do tipo massa-mola e o segundo, faz uso do método dos modos assumidos para representar os vários modos de vibração do modelo. A partir destes dois modelos, são aplicadas as seguintes três técnicas de controle, Regulador linear Quadrático (LQR), Regulador Linear Quadrático Gaussiano (LQG) e H infinito (H-inf). O objetivo do controlador projetado por cada um destas técnicas é fazer com que o sistema siga uma referência imposta e ao mesmo tempo amorteça rapidamente as vibrações remanescentes, oriundas dos deslocamentos flexíveis do apêndice. Após a investigação computacional do desempenho dos controladores, é feita a implementação dos mesmos no modelo experimental com o auxílio do software WinCon da Quanser. Assim, através de uma montagem do tipo "hardware in the loop", investiga-se experimentalmente o desempenho dos controladores e compara-se com os resultados das simulações computacionais. Ênfase é dada para o método H-inf, por ser uma técnica relativamente recente e ainda pouco aplicada na área espacial. A partir dos resultados obtidos, verificou-se que os controladores apresentam bom desempenho para os casos simulados, com rápido tempo de resposta e adequado amortecimento das vibrações da haste flexível. Verifica-se, entretanto, que ao se aplicar os mesmos controladores experimentalmente, houve uma pequena perda de desempenho, sendo mais evidente para o controlador H-inf. Acredita-se que esta perda de desempenho do controlador está relacionada com imprecisões da montagem e que este poderia ser melhorado caso as incertezas do modelo experimental fossem consideradas no projeto do controlador.