Desenvolvimento de controlador preditivo para controle de atitude de satélites e validação em HIL

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rodrigues, Reurison Silva
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio.unb.br/handle/10482/33269
Resumo: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.
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spelling Desenvolvimento de controlador preditivo para controle de atitude de satélites e validação em HILSatélites artificiaisControle preditivoHardware-in-the-loop (HIL)Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.Os satélites artificiais são sistemas robóticos extremamente complexos e caros, empregados em aplicações científicas, militares e de comunicação. O controle de atitude de satélites é responsável por assegurar que o objeto espacial se encontre na posição, velocidade e trajetória corretas, estabilizando o veículo espacial e o orientando nas direções desejadas durante a missão, independente de perturbações externas. É importante que o projeto do controlador em desenvolvimento seja capaz de respeitar requisitos de segurança e funcionamento do satélite, lidando com restrições próprias do sistema e ao ambiente em que ele está inserido. Caso estes requisitos não sejam respeitados, falhas podem ocorrer, ocasionado em funcionamento não adequado do satélite e possível falha da missão. Para evitar estes erros, o projeto dos controladores deve seguir uma metodologia de testes e validação antes de serem postos em operação. Um das dificuldades relacionadas a esta etapa é a não possibilidade de usar o satélite real para testar/validar as leis de controle desenvolvidas. Levando-se em consideração a dificuldade de validação experimental dos controladores e que considerem na sua formulação as restrições físicas inerentes ao satélite, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um controlador preditivo não linear (NMPC) embarcado em hardware, para o controle de atitude de uma plataforma de testes de satélites com validação do controlador em uma arquitetura do tipo Hardware-in-the-loop (HIL). O controle preditivo é uma estratégia que faz uso do modelo do processo e que prediz o comportamento futuro do mesmo sob um horizonte de predição definido. A estratégia leva em consideração restrições inerentes ao sistema (de estado, comando e variação do comando), e através da otimização online de uma função custo, definida pelo projetista, gera uma sequência ótima de comandos. Um dos pontos críticos da utilização do MPC embarcado em hardware para situações em tempo real é o alto custo computacional existente na etapa de otimização. Quanto mais rápida for a dinâmica do sistema, exigindo menores períodos de amostragem, mais crítico torna-se este problema. Neste trabalho visando reduzir o custo computacional e assegurar que o controlador possa ser embarcado em um hardware real, é então utilizada a técnica de parametrização exponencial, que reduz o número graus de liberdade existentes no problema de otimização não-parametrizado, reduzindo diretamente o tempo gasto na etapa de otimização. Para validação em tempo real do controlador desenvolvido, simulações em HIL são feitas em uma plataforma de baixo custo desenvolvida na Universidade de Brasília. Os resultados obtidos mostram a possibilidade de se embarcar o controlador preditivo não-linear parametrizado em um hardware de baixa potência e que o sistema de controle de atitude é capaz de lidar com as restrições impostas pelo satélite.Artificial satellites are extremely complex and expensive robotic systems used in scientific, military and communication applications. The attitude control of satellites is responsible for ensuring that the space object is in the correct position, velocity and trajectory, stabilizing the spacecraft and guiding it in the desired directions during the mission, regardless of external disturbances. It is important that the design of the developing controller be able to meet security requirements of the satellite, dealing with constraints of the system itself and the environment in which it is embedded. If these requirements are not met, failures may occur, causing the satellite to malfunction and possible mission failure. In order to avoid these errors, the design of controllers must follow a methodology of testing and validation before they are put into operation. One of the difficulties related to this step is the non-possibility of using the real satellite to test/validate the developed control laws. Taking into account the difficulty of experimental validation of the controllers that consider in their formulation the physical restrictions inherent to the satellite, this work aims at the developing of a non-linear model predictive control (NMPC) embedded in hardware, for the attitude control of a platform of satellite tests with validation in a Hardware-in-the-loop architecture. The model predictive control is a strategy that makes use of the nonlinear model of the process and that predicts the future behavior of the process under a defined prediction horizon. The strategy takes into account constraints inherent to the system (state, command and command variation) and through online optimization of a cost function, defined by the designer, generates an optimal sequence of commands. One of the critical points of NMPC embedded in hardware for real-time situations is the high computational cost in the optimization stage. The faster the system dynamics, requiring shorter sampling time, the more critical this problem becomes. In this work, in order to reduce the computational cost and ensure that the controller can ben embedded in real hardware, the exponential parametrization technique is used, which reduces the number of degrees of freedom in the non-parametrized optimization problem, directly reducing the time spent in the optimization step. For real-time validation of the developed NMPC controller, HIL simulations are carried out on a low cost platform developed at University of Brasilia (UnB). The results obtained show the possibility of embedding the parametrized nonlinear predictive control in a low power hardware and that the control system is able to handle the constraints imposed by the satellite.Pinto, André Murilo de AlmeidaRodrigues, Reurison Silva2018-12-21T17:24:19Z2018-12-21T17:24:19Z2018-12-202018-06-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfRODRIGUES, Reurison Silva. Desenvolvimento de controlador preditivo para controle de atitude de satélites e validação em HIL. 2018. xi, 100 f., il. Dissertação (Mestrado em Sistemas Mecatrônicos)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018.http://repositorio.unb.br/handle/10482/33269A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2023-07-13T20:17:27Zoai:repositorio.unb.br:10482/33269Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2023-07-13T20:17:27Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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