تخمین پارامترهای یک شبیه‌ساز کنترل وضعیت آزمایشگاهی با استفاده از روش حداقل مربعات و بهینه‌سازی هوشمند ترکیبی

نوع مقاله : مقاله مکانیک

نویسندگان

1 پژوهشگر، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 پژوهشگر، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

4 استادیار پژوهشی، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله پارامترهای مدل دینامیکی یک شبیه‌ساز سه درجه آزادی مبتنی بر یاتاقان هوایی شامل ممان اینرسی‌ها، مرکز جرم میز، با استفاده از داده‌های ثبت شده در یک مانور وضعیت به دو روش : 1- روش بهینه‌سازی ترکیبی الگوریتم ژنتیک و برنامه‌ریزی مرتبه دوم متوالی و 2- روش حداقل مربعات خطا، تخمین زده شده ‌است. برای این کار با استفاده از چرخ‌های عکس‌العملی یک مانور وضعیت انجام می‌شود و مقادیر گشتاور و همچنین سرعت زاویه‌ای حول سه محور ثبت می‌گردد. سپس با استفاده از داده‌های ذخیره شده و پیاده‌سازی دو روش، پارامترهای میز تخمین زده می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که با روش حداقل مربعات برخلاف الگوریتم بهینه‌سازی ترکیبی، با یک تست کنترل وضعیت از نقطه اولیه غیرصفر به مبدا، نمی‌توان تخمین مناسبی استخراج نمود و نیاز به تست‌های متفاوت به‌گونه‌ای است که تمام مودهای سیستم تحریک گردد. در حالی که در روش بهینه‌سازی ترکیبی، با انجام همان یک آزمایش می‌توان پارامترهای مدل دینامیکی را تخمین زد. برای صحه‌گذاری الگوریتم پیاده‌سازی شده، عملکرد حلقه بسته میز در محیط آزمایشگاهی و مدل شبیه‌سازی شده بررسی و مقایسه گردید که نشانگر دقت مناسب کمتر از 5 درصد خطا در میانگین تمام نمونه‌ها در هر دو روش تخمینی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Estimation of parameters of a laboratory attitude control simulator using least squares method and hybrid intelligent optimization

نویسندگان [English]

  • Alireza Ahangrani Farahani 1
  • Hamed Arefkhani 2
  • Majid Hosseini 3
  • amirhosseini tavakoli 4
1 Researcher, Faculty of Aerospace engineering, Malek Ashtar University of Technology
2 Researcher, Faculty of Aerospace engineering, Malek Ashtar University of Technology, tehran, iran
3 Faculty of aerospace engineering, malek e ashtar univercity of technology, tehran, iran
4 Research assistant, Faculty of Aerospace engineering, Malek Ashtar University of Technology, tehran, iran
چکیده [English]

In this paper, the parameters of the dynamic model of a three-degree-of-freedom simulator based on air bearing, including moment of inertia, center of mass, using experimental data in a maneuver in two ways: 1- hybrid optimization method of genetic algorithm and second-order programming and 2- The method of least squares error is estimated. To do this, a position maneuver is performed using reaction wheels, and torque values as well as angular velocities around three axes are recorded. The table parameters are then estimated using the stored data and the implementation of the two methods. The results show that with the least squares method, unlike the hybrid optimization algorithm, with a attitude control test from the non-zero initial point to the origin, it is not possible to derive a good estimate and different tests are needed to stimulate all system modes. While in the hybrid optimization method, by performing the same experiment, the desired results of the system estimation can be presented. To validate the implemented algorithm, the performance of the closed loop of the table in the laboratory environment and the simulated model were evaluated and compared, which indicates the appropriate accuracy (less than 5% error) of the estimation methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • attitude determination and control simulator
  • parameter estimation
  • least squares error algorithm
  • hybrid optimization algorithm

مراجع

  • Modenini, A.Bahu, G.Curzi and A.Togni, “A Dynamic Testbed for Nanosatellites Attitude Verification,” Aerospace Journal, Vol. 7, No. 31, 2020, pp. 1-19.
  • Jovanovic, J. Pearce, and J. Praks, “Design and Testing of a Low-Cost, Open Source, 3-D Printed Air-Bearing-Based Attitude Simulator for CubeSat Satellites,”Journal of Small Satellites, Vol 8, No. 2, 2019, pp. 859-880.
  • Taei, “Survey of Hardware-Based Satellite Attitude Dynamics Simulators,” Journal of Space Science & Technology, Vol. 6, No. 2, 2017, pp. 87-101.
  • Taei, “Optimal Design Layout for a Tri-Axial Satellitev Attitude Dynamics Simulator with Combinatorial Actuators,” Ph.D Thesis, Aerospace Engineering Faculty, Kn Toosi University of Technology, IR Iran, 2015.
  • Arefkhani, S. M. Dehghan, and A. H. Tavakoli, “Evaluation of Magnetic Attitude Control with Air-Bearing Simulator,” JSST, Vol. 9, No. 27, 2016, pp. 47-60.
  • R. Krishnanunni, S. Jayadevan, A. Mony and G. Sharma, “Inertuia and Center of Mass Estimation of a 3 DoF Air Bearin Platform,” IFAC-Paper Onlines, Vol 51, No, 1, 2018, pp. 219-224.
  • M. Oliveria, H. K. Kuga, and V. Carrara, “Estimating the Mass Characteristics of Dumbbell Air Bearing Satellite Simulator,” 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM2013), Brazil, 2013, pp. 4836-4844.
  • L. Schwartz and C. D. Hall, “System Identification of Spherical Air-Bearing Spacecraft Simulator,” AAS, 2004, pp.1-18.
  • Bellar and M. A. Mohammed, “Satellite Inertia Parameters Estimation Based on Extended Kalman Filter,” Journal of Aero space Technology and Management, Vol. 11, 2019, pp. 1-11.
  • Schwartz, and C. Hall, “Comparision of System Identification Techniques for a Spherical Air-Bearing Spaceraft Simulator,” AAS, 2004.
  • کاظمی پور، امیرحسین و میرشمس، مهران،1392،شناسایی سیستم شبیه ساز سه - درجه آزادی وضعیت ماهواره،سومین کنفرانس بین المللی آکوستیک و ارتعاشات،تهران،https://civilica.com/doc/270974
  • خدامرادی، شهاب و علیاری شوره دلی، مهدی،1394،تخمین موقعیت مرکز جرم پلتفرم سه درجه آزادی شبیه ساز ماهواره با استفاده از فیلتر کالمن،همایش یافته های نوین در هوافضا و علوم وابسته،تهران،https://civilica.com/doc/441226
  • امینی محمدعلی، سالاریه حسن، الستی آریا. شناسایی تانسور اینرسی ماهواره مجهز به چرخ عکس العملی با استفاده از روش حداقل مربعات مقاوم شده در برابر نویز اندازه گیری. مهندسی مکانیک مدرس. 1392 [cited 2021December17];13(4):125-138. Available from: https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=192685
  • فکور مهدی، کوثری امیررضا، صالح غفاری حسین. شناسایی ممان اینرسی و پارامترهای تنظیم ژیروسکوپ یک ماهواره زمین آهنگ با فیلتر کالمن توسعه یافته. علوم و فناوری فضایی. 1392 [cited 2021December17];6(2):67-74. Available from: https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=258960
  • برجی منفرد صدرا، کلهر احمد، امیری آتشگاه محمدعلی. کنترل غیر خطی مقاوم ∞H و پیشبین برای ردیابی مسیر کوادروتور با استفاده از تخمین پارامترهای سیستم. مهندسی مکانیک مدرس. 1395 [cited 2021December17];16(7):32-42. Available from: https://www.sid.ir/fa/journal/ViewPaper.aspx?id=272588
  • Sharifi, G., Mirshams, M., & Shahmohamadi Ousaloo, H. (2019). Mass properties identification and automatic mass balancing system for satellite attitude dynamics simulator. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 233(3), 896-907.
  • Wang, K., Liu, G., Tao, Q., & Zhai, M. (2020). Efficient parameters estimation method for the separable nonlinear least squares problem. Complexity, 2020.
  • Ivanov, D. S., Ivanova, T. A., Ivlev, N. A., Ovchinnikov, M. Y., & Roldugin, D. S. (2021). Estimation of an Inertia Tensor and Automatic Balancing of a Microsatellite Mockup on an Air-Bearing Testbed. Journal of Computer and Systems Sciences International, 60(2), 315-332
  • H. Tavakoli, A. Kalhor, and S. M. M. Dehghan, “Implementation of Three Axis Attitude Controllers for Evaluation of a Micro-Gravity Satellite Simulator,” JSST, Vol 5, No. 2, 2012, page 59-68. (in persian)
  • H. Zipfel, “Modeling and Simulation of Aerospace Vehicle Dynamics”, University of Florida, Gainesville, Florida, 2007.
  • M. Kim, E. Velenis, P. Kriengsiri, and P. Tsiotras, “Designing a Low Cost Spacecraft Simulator,” IEEE Control Systems Magazine, 2003.
  • J. Regan and S. M. Anandakrishnan, “Dynamics of Atmospheric Re-Entry,” American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1992.
  • Beigzadeh, “Heat Transfer Enhancement in Micro Heat Exchangers Using Genetic Algorithm Based Multi-Objective Optimization,” Journal of Modeling in Engineering, Vol. 17, No. 59,2019, page 25-34.
  • Ranjbar, M. danaei and M. ahmadieh khanesar, “Extraction of Circuit Parameters Using Multi-Objective Genetic Algorithm for Design of Non-Linearly Compensated Operational Amplifiers,” Journal of Modeling in Engineering, Vol. 17, No. 58,2019, page 127-142.
  • Sharifzadeh, and M. Jazaeri, “DESIGN OF STATE ESTIMATOR AND BAD DATA DETECTION MODULE IN POWER SYSTEM BY USING PERCEPTRON ARTIFICIAL NEURAL NETWORK,” Journal of Modeling in Engineering, Vol. 9, No. 26,2011, pages 13-22.

 

مدل سازی در مهندسی
دوره 20، شماره 69
تیر 1401
صفحه 29-39

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 آبان 1400
  • تاریخ بازنگری: 03 دی 1400
  • تاریخ پذیرش: 11 دی 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار