Синтез робастного регулятора системы управления "пастуха с ионным лучом"

Abstract

Целью работы является синтез регулятора для управления движением «пастуха с ионным лучом» относительно объекта космического мусора в процессе его бесконтактного увода. Предполагается, что в составе системы управления имеются датчики, позволяющие измерять положение «пастуха» относительно космического мусора. В качестве исполнительных органов системы управления использованы гидразиновые реактивные двигатели с широтно-импульсным модулятором тяги. С использованием метода смешанной чувствительности синтезирован робастный регулятор, который обеспечивает необходимый компромисс между робастной устойчивостью, качеством и затратами на управление с учетом особенностей воздействий, передаваемых ионным лучом, внешних возмущений, неточности определения относительного положения, а также неидеальности реактивных исполнительных органов. Требования к синтезируемому регулятору заданы в частотной области с помощью выбранных весовых функций. Результаты синтеза подтверждены путем компьютерного моделирования с использованием нелинейной математической модели, учитывающей широкий спектр орбитальных возмущений, действующих на систему.

Метою роботи є синтез регулятора для керування рухом «пастуха з іонним променем» відносно об'єкта космічного сміття в процесі його безконтактного відведення. Передбачається, що в складі системи керування є датчики, що дозволяють вимірювати положення «пастуха» відносно космічного сміття. Як виконавчі органи системи керування використані гідразинові реактивні двигуни з широтно-імпульсним модулятором тяги. З використанням методу змішаної чутливості синтезовано робастний регулятор, який забезпечує необхідний компроміс між робастною стійкістю, якістю та витратами на керування з урахуванням особливостей впливів, переданих іонним променем, зовнішніх збурень, неточності визначення відносного положення, а також неідеальності реактивних виконавчих органів. Вимоги до регулятора задані в частотній області за допомогою обраних вагових функцій. Результати синтезу підтверджено шляхом комп'ютерного моделювання з використанням нелінійної математичної моделі, яка враховує широкий спектр орбітальних збурень, що діють на систему.

The study objective is to synthesize a motion controller for an ion beam shepherd with respect to space debris object during its contactless de-orbiting. It is assumed that the control system has sensors for measuring the shepherd attitude with respect to space debris. Hydrazine thrusters with thrust pulse-width modulation have been used as actuators of the control system. The robust controller was synthesized using the mixed sensitivity method. It provides a necessary compromise between a robust stability, the control quality and expenses considering special impacts of an ion beam, external disturbances, errors in the determination of the relative position, and the imperfection of the reactive actuators. Requirements for the synthesized controller are specified in the frequency domain by using the selected weighting functions. The synthesis results are validated by the computer simulation using the nonlinear mathematical model taking into account a wide range of orbital perturbations acting on the system.