Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Toriumi, Fabio Yukio
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3139/tde-08032021-084023/
Resumo: Control moment gyroscopes (CMG) are widely used as actuators in some important applications, as the attitude control of spacecraft and satellites, due to its interesting and advantageous characteristics, such as its efficient high output torque capability. Motivated by this, we explore here a CMG unit, model 750, from Educational Control Products (ECP), which is a complex and versatile system that can operate in both single-input/single-output (SISO) and multiple-input/multiple-output (MIMO) configurations. This underactuated electromechanical plant presents a highly coupled nonlinear dynamics with a wide operating range, posing additional challenges to the control design, due to the fact that the outputs to be controlled are unactuated states of the system and its tracking task involves time-varying trajectories. To deal with these challenges, three nonlinear control approaches, the feedback linearization (FL), sliding-mode (SM), and passivity-based (PB), are proposed to improve the performance of the ECP CMG tracking task and get a wider operating range. Since nonlinear control approaches are critically dependent on the system model, the CMG modeling process based on Gibbs-Appell method and Kane\'s dynamical equations is firstly developed, then its nonlinear model is explicitly presented and used for both controller designs and numerical simulations. Next, the application of the three nonlinear control approaches to the tracking task of a class of fully-actuated systems is briefly presented, followed by the specific issues inherent to the CMG underactuation. To overcome this problem, the CMG intrinsic reaction torques are employed in the three controller designs. Simulation and experiment results are considered to validate the effectiveness of the controllers and the final results are compared to each other for an overall discussion, where the maximum absolute error (MAE) and the integral absolute error (IAE) indexes are presented to corroborate the performance analysis.
id USP_055ab8b5deccd423f443c4137100f2bd
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-08032021-084023
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str
spelling Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.Técnicas de controle não linear aplicadas a um giroscópio de controle de momento sub-atuado.Control (Systems theory and control)Control moment gyroscopeControle (Teoria de sistemas e controle)Controle não linearDynamic systemsGiroscópio de controle de momentoNonlinear controlNonlinear modelsSistemas dinâmicos. Modelos não linearesControl moment gyroscopes (CMG) are widely used as actuators in some important applications, as the attitude control of spacecraft and satellites, due to its interesting and advantageous characteristics, such as its efficient high output torque capability. Motivated by this, we explore here a CMG unit, model 750, from Educational Control Products (ECP), which is a complex and versatile system that can operate in both single-input/single-output (SISO) and multiple-input/multiple-output (MIMO) configurations. This underactuated electromechanical plant presents a highly coupled nonlinear dynamics with a wide operating range, posing additional challenges to the control design, due to the fact that the outputs to be controlled are unactuated states of the system and its tracking task involves time-varying trajectories. To deal with these challenges, three nonlinear control approaches, the feedback linearization (FL), sliding-mode (SM), and passivity-based (PB), are proposed to improve the performance of the ECP CMG tracking task and get a wider operating range. Since nonlinear control approaches are critically dependent on the system model, the CMG modeling process based on Gibbs-Appell method and Kane\'s dynamical equations is firstly developed, then its nonlinear model is explicitly presented and used for both controller designs and numerical simulations. Next, the application of the three nonlinear control approaches to the tracking task of a class of fully-actuated systems is briefly presented, followed by the specific issues inherent to the CMG underactuation. To overcome this problem, the CMG intrinsic reaction torques are employed in the three controller designs. Simulation and experiment results are considered to validate the effectiveness of the controllers and the final results are compared to each other for an overall discussion, where the maximum absolute error (MAE) and the integral absolute error (IAE) indexes are presented to corroborate the performance analysis.Giroscópios de controle de momento (ou do inglês, control moment gyroscope - CMG) são amplamente utilizados como atuadores em algumas aplicações importantes, como o controle de atitude de veículos espaciais e de satélites, devido às suas características interessantes e vantajosas, como seu eficiente e alto torque de saída. Motivado por isso, nós exploramos aqui uma unidade CMG, modelo 750, da Educational Control Products (ECP), que é um sistema complexo e versátil capaz de operar em ambas configurações single-input/single-output (SISO) e multiple-input/multiple-output (MIMO). Essa planta eletromecânica sub-atuada apresenta uma dinâmica não linear altamente acoplada com uma operação de amplo alcance, impondo desafios adicionais ao projeto de controle, de vido ao fato das saídas a serem controladas serem os estados não atuados do sistema e a tarefa de seguimento de trajetória ser variante no tempo. Para lidar com esses desafios, três técnicas de controle não linear, a realimentação linearizante (feedback linearization - FL), os modos deslizantes (sliding-mode - SM) e o baseado em passividade (passivity based - PB), são propostos para melhorar o desempenho da tarefa de seguimento de trajetória do CMG da ECP e aumentar o seu alcance de operação. Visto que as técnicas de controle não linear são criticamente dependentes do modelo do sistema, o processo de modelagem do CMG, baseado no método de Gibbs-Appell e nas equações dinâmicas de Kane é primeiramente desenvolvido, depois seu modelo não linear ´e explicitamente apresentado e usado para ambos os projetos dos controladores e as simulações numéricas. Em seguida, a aplicação das três técnicas de controle não linear à tarefa de seguimento de trajetória de uma classe de sistemas totalmente atuados ´e brevemente apresentada, seguido dos problemas específicos inerentes à sub-atuação do CMG. Para lidar com este problema, os torques reativos intrínsecos do CMG são empregados nos projetos dos três controladores. Resultados de simulações e experimentos são considerados para validar a eficácia dos controladores e os resultados finais são comparados entre si para uma discussão geral, onde os índices de erro absoluto máximo (maximum absolute error - MAE) e de integral do erro absoluto (integral absolute error - IAE) são apresentados para colaborar com a análise de desempenho.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPAngelico, Bruno AugustoToriumi, Fabio Yukio2020-11-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3139/tde-08032021-084023/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2021-03-17T21:28:02Zoai:teses.usp.br:tde-08032021-084023Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212021-03-17T21:28:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.none.fl_str_mv Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
Técnicas de controle não linear aplicadas a um giroscópio de controle de momento sub-atuado.
title Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
spellingShingle Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
Toriumi, Fabio Yukio
Control (Systems theory and control)
Control moment gyroscope
Controle (Teoria de sistemas e controle)
Controle não linear
Dynamic systems
Giroscópio de controle de momento
Nonlinear control
Nonlinear models
Sistemas dinâmicos. Modelos não lineares
title_short Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
title_full Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
title_fullStr Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
title_full_unstemmed Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
title_sort Nonlinear control approaches for an underactuated control moment gyroscope.
author Toriumi, Fabio Yukio
author_facet Toriumi, Fabio Yukio
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Angelico, Bruno Augusto
dc.contributor.author.fl_str_mv Toriumi, Fabio Yukio
dc.subject.por.fl_str_mv Control (Systems theory and control)
Control moment gyroscope
Controle (Teoria de sistemas e controle)
Controle não linear
Dynamic systems
Giroscópio de controle de momento
Nonlinear control
Nonlinear models
Sistemas dinâmicos. Modelos não lineares
topic Control (Systems theory and control)
Control moment gyroscope
Controle (Teoria de sistemas e controle)
Controle não linear
Dynamic systems
Giroscópio de controle de momento
Nonlinear control
Nonlinear models
Sistemas dinâmicos. Modelos não lineares
description Control moment gyroscopes (CMG) are widely used as actuators in some important applications, as the attitude control of spacecraft and satellites, due to its interesting and advantageous characteristics, such as its efficient high output torque capability. Motivated by this, we explore here a CMG unit, model 750, from Educational Control Products (ECP), which is a complex and versatile system that can operate in both single-input/single-output (SISO) and multiple-input/multiple-output (MIMO) configurations. This underactuated electromechanical plant presents a highly coupled nonlinear dynamics with a wide operating range, posing additional challenges to the control design, due to the fact that the outputs to be controlled are unactuated states of the system and its tracking task involves time-varying trajectories. To deal with these challenges, three nonlinear control approaches, the feedback linearization (FL), sliding-mode (SM), and passivity-based (PB), are proposed to improve the performance of the ECP CMG tracking task and get a wider operating range. Since nonlinear control approaches are critically dependent on the system model, the CMG modeling process based on Gibbs-Appell method and Kane\'s dynamical equations is firstly developed, then its nonlinear model is explicitly presented and used for both controller designs and numerical simulations. Next, the application of the three nonlinear control approaches to the tracking task of a class of fully-actuated systems is briefly presented, followed by the specific issues inherent to the CMG underactuation. To overcome this problem, the CMG intrinsic reaction torques are employed in the three controller designs. Simulation and experiment results are considered to validate the effectiveness of the controllers and the final results are compared to each other for an overall discussion, where the maximum absolute error (MAE) and the integral absolute error (IAE) indexes are presented to corroborate the performance analysis.
publishDate 2020
dc.date.none.fl_str_mv 2020-11-11
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3139/tde-08032021-084023/
url https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3139/tde-08032021-084023/
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv
dc.rights.driver.fl_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.coverage.none.fl_str_mv
dc.publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
dc.source.none.fl_str_mv
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1815257969775869952