Optimal Control of the Angular Momentum for a Solid (Spacecraft) Performing a Spatial Turn
- 作者: Levskii M.1
-
隶属关系:
- Maksimov Space System Research and Development Institute, Khrunichev State Research and Production Space Center
- 期: 编号 1 (2023)
- 页面: 76-94
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1026-3519/article/view/137496
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0572329922060137
- EDN: https://elibrary.ru/KGUTWN
- ID: 137496
如何引用文章
详细
A quaternion solution of the dynamic problem on the optimal turn of a solid (for example, a spacecraft) from a known initial to a given final angular position is presented. Optimization of the control program is carried out by using a combined indicator that combines a quadratic performance criterion and turn time; the minimized functional combines energy costs and maneuver duration in a given proportion. Based on the maximum principle, quaternion models, and methods for studying the controlled motion of a solid (spacecraft), a solution of the problem has been obtained. The construction of the optimal rotation is based on a differential equation relating the angular momentum and the orientation quaternion of a solid. The conditions of optimality are written in analytical form and the properties of the optimal motion are studied. Analytical equations and calculation formulas for finding the optimal control are presented. The control law is formulated as an explicit dependence of the control variables on the phase coordinates. Key relations that determine the optimal values of the parameters of the angular momentum control algorithm are given. In the case of a dynamically symmetric body, a complete solution of the turn problem in a closed form is obtained: analytical dependences as explicit functions of time for control variables and relations for calculating the parameters of the control law are given. A numerical example and the results of numeric simulation of the rotation of a spacecraft as a solid under optimal control that demonstrate the practical feasibility of the proposed control method are given.
作者简介
M. Levskii
Maksimov Space System Research and Development Institute, Khrunichev State Research and Production Space Center
编辑信件的主要联系方式.
Email: levskii1966@mail.ru
Korolev, Moscow oblast, 141091 Russia
参考
- Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 с.
- Алексеев К.Б., Малявин А.А., Шадян А.В. Экстенсивное управление ориентацией космического аппарата на основе нечеткой логики // Полет. 2009. № 1. С. 47–53.
- Велищанский М.А., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Синтез алгоритмов переориентации космического аппарата на основе концепции обратной задачи динамики // Изв. РАН. ТиСУ. 2003. № 5. С. 156–163.
- Ваньков А.И. Адаптивное робастное управление угловым движением КА с использованием прогнозирующих моделей // Космич. исслед. 1994. Т. 32. Вып. 4–5. С. 13–21.
- Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974. 600 с.
- Levskii M.V. About method for solving the optimal control problems of spacecraft spatial orientation // Probl. Nonlin. Anal. Eng. Sys. 2015. V. 21. № 2. P. 61–75.
- Решмин С.А. Пороговая абсолютная величина релейного управления при наискорейшем приведении спутника в гравитационно-устойчивое положение // Доклады Академии наук. 2018. Том 480. № 6. С. 671–675. https://doi.org/10.1134/S1028335818060101
- Junkins J. L., Turner J. D. Optimal Spacecraft Rotational Maneuvers. Elsevier. USA, 1986. 515 p.
- Молоденков A.В., Сапунков Я.Г. Особые режимы управления в задаче оптимального разворота сферически-симметричного космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2009. № 6. С. 47–54. https://doi.org/10.1134/S1064230709060057
- Молоденков А.В., Сапунков Я.Г. Решение задачи оптимального разворота осесимметричного космического аппарата с ограниченным и импульсным управлением при произвольных граничных условиях // Изв. РАН. ТиСУ. 2007. № 2. С. 152–165. https://doi.org/10.1134/S1064230707020189
- Бранец В.Н., Черток М.Б., Казначеев Ю.В. Оптимальный разворот твердого тела с одной осью симметрии // Космич. исслед. 1984. Т. 22. Вып. 3. С. 352–360.
- Shen H., Tsiotras P. Time-optimal Control of Axi-symmetric Rigid Spacecraft with two Controls // AIAA J. Guid. Contr. Dyn. 1999. V. 22. № 5. P. 682–694. https://doi.org/10.2514/2.4436
- Молоденков A.В., Сапунков Я.Г. Аналитическое решение задачи оптимального по быстродействию разворота осесимметричного космического аппарата в классе конических движений // Изв. РАН. ТиСУ. 2018. № 2. С. 131–147. https://doi.org/10.7868/S0002338818020117
- Scrivener S., Thompson R. Survey of Time-optimal Attitude Maneuvers // J. Guid. Contr. Dyn. 1994. V. 17. № 2. P. 225–233.
- Zhou H., Wang D., Wu B., EK Poh. Time-optimal reorientation for rigid satellite with reaction wheels // Int. J. Contr. 2012. V. 85. № 10. P. 1–12. https://doi.org/10.1080/00207179.2012.688873
- Левский М.В. Применение принципа максимума Л.С. Понтрягина к задачам оптимального управления ориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2008. № 6. С. 144–157. https://doi.org/10.1134/S1064230708060117
- Решмин С.А. Пороговая абсолютная величина релейного управления при наискорейшем приведении спутника в желаемое угловое положение // Изв. РАН. ТиСУ. 2018. № 5. С. 30–41. https://doi.org/10.1134/S106423071805012X
- Левский М.В. Кинематически оптимальное управление переориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2015. № 1. С. 119–136. https://doi.org/10.1134/S1064230714050116
- Левский М.В. Об одном случае оптимального управления пространственной ориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2012. № 4. С. 115–130. https://doi.org/10.1134/S1064230712020086
- Бирюков В.Г., Челноков Ю.Н. Построение оптимальных законов изменения вектора кинетического момента твердого тела // Изв. РАН. МТТ. 2014. № 5. С. 3–21.
- Зелепукина О.В., Челноков Ю.Н. Построение оптимальных законов изменения вектора кинетического момента динамически симметричного твердого тела // Изв. РАН. МТТ. 2011. № 4. С. 31–49. https://doi.org/10.3103/S0025654411040030
- Левский М.В. Синтез оптимального управления терминальной ориентацией космического аппарата с использованием метода кватернионов // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 2. С. 7–24. https://doi.org/10.3103/S0025654409020022
- Левский М.В. Особенности управления ориентацией космического аппарата, оборудованного инерционными исполнительными органами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16. № 3. С. 188–195. https://doi.org/10.17587/mau.16.188-195
- Levskii M.V. Special Aspects in Attitude Control of a Spacecraft, Equipped with Inertial Actuators // J. Comp. Sci. Appl. Informat. Technol. 2017. V. 2. № 4. P. 1–9. https://doi.org/10.15226/2474-9257/2/4/00121
- Quang M. Lam. Robust and adaptive reconfigurable control for satellite attitude control subject to under-actuated control condition of reaction wheel assembly // Math. Eng. Sci. Aerosp. 2018. V. 9. № 1. P. 47–63.
- Левский М.В. Использование универсальных переменных в задачах оптимального управления ориентацией космических аппаратов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 1. С. 53–59.
- Стрелкова Н.А. Об оптимальной переориентации твердого тела // Проблемы механики управляемого движения. Нелинейные динамические системы. Пермь: ПГУ, 1990. С. 115–133.
- Зубов Н.Е., Ли М.В., Микрин Е.А., Рябченко В.Н. Терминальное построение орбитальной ориентации космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2017. № 4. С. 154–173. https://doi.org/10.1134/S1064230717040190
- Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. M.: Наука, 1983. 392 с.
- Янг Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления. М.: Мир, 1974. 488 с.
- Банит Ю.Р., Беляев М.Ю., Добринская Т.А., Ефимов Н.И., Сазонов В.В., Стажков В.М. Определение тензора инерции международной космической станции по телеметрической информации. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. № 57. М.: ИПМ, 2002.
- Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Прикладные методы в теории колебаний. М.: Наука, 1988. 328 с.
- Левский М.В. Устройство формирования параметров регулярной прецессии твердого тела. Патент на изобретение РФ № 2146638 // Бюллетень “Изобретения. Заявки и патенты”. 2000. № 8. С. 148.