Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.6
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pp.526-532
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2007
This paper considers a fault tolerant control problem for a spacecraft using reaction wheels. Faults are assumed to be inherent to only actuators(reaction wheels) and a control algorithm to accommodate actuators' faults is proposed. An attitude control loop includes an angular velocity control loop. The time delay control method is used to make a spacecraft follow the command angular velocity and to accommodate actuators' faults. A stability condition for the proposed algorithm is derived and the performance is demonstrated by computer simulations.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.38
no.5
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pp.437-444
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2010
This paper deals with the attitude control of an underactuated spacecraft that has one single-gimbal variable-speed CMG. An underactuated spacecraft may not converge to arbitrary attitudes if its total angular momentum is not zero. To stabilize a spacecraft, the CMG has to align with the angular momentum in the inertial frame. Four different install configurations for the CMG have been considered and controllable angular momentums have been analyzed. Also, based on the backstepping method, stabilizing control laws have been presented and their properties have been compared.
CMG(Control Momentum Gyro) is a control device being used for spacecraft attitude control constructing relatively large amount of torque compared to conventional body-fixed reaction wheels. The CMG produces gyroscopic control torque by continuously varying the angular momentum vector direction with respect to the spacecraft body. The VSCMG(Variable Speed Control Momentum Gyro) has favorable advantages with variable speed to lead to better control authority as well as singularity avoidance capability. Attitude dynamics with a VSCMG mounted on a two-axis gimbal system are derived in this study. The dynamic equation may be considered as an extension of the single-axis counterpart. Also, a feedback control law design is addressed in conjunction with the dynamic equations of motion.
In this paper, the backstepping control method that is useful for cascade systems is applied to the slew maneuver of the spacecraft. The quaternion is used for representing the attitude of the spacecraft, because the reference trajectory of angular velocity has simple mathematical form. The conventional backstepping control has severa] problems such as slow convergence, trivial cancelling of nonlinear terms, and excessive control input. To overcome these problems, the modified backstepping control method which is redesign of Lyapunov function is proposed. To design a tracking function for angular velocity, it is necessary to estimate the process of maximum angular velocity, and therefore the estimation procedure using Bellman-Gronwall inequality is developed. To verify the effectiveness of the proposed control law, numerical simulation is performed and the results are compared with the exiting control scheme.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.8
no.1
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pp.10-20
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2007
For spacecraft attitude control, reaction wheel (RW) steering laws with more than three wheels for three-axis attitude control can be derived by using a control allocation (CA) approach.1-2 The CA technique deals with a problem of distributing a given control demand to available sets of actuators.3-4 There are many references for CA with applications to aerospace systems. For spacecraft, the control torque command for three body-fixed reference frames can be constructed by a combination of multiple wheels, usually four-wheel pyramid sets. Multi-wheel configurations can be exploited to satisfy a body-axis control torque requirement while satisfying objectives such as minimum control energy.1-2 In general, the reaction wheel steering laws determine required torque command for each wheel in the form of matrix pseudo-inverse. In general, the attitude control command is generated in the form of a feedback control. The spacecraft body angular rate measured by gyros is used to estimate angular displacement also.⁵ Combination of the body angular rate and attitude parameters such as quaternion and MRPs(Modified Rodrigues Parameters) is typically used in synthesizing the control command which should be produced by RWs.¹ The attitude sensor signals are usually corrupted by noise; gyros tend to contain errors such as drift and random noise. The attitude determination system can estimate such errors, and provide best true signals for feedback control.⁶ Even if the attitude determination system, for instance, sophisticated algorithm such as the EKF(Extended Kalman Filter) algorithm⁶, can eliminate the errors efficiently, it is quite probable that the control command still contains noise sources. The noise and/or other high frequency components in the control command would cause the wheel speed to change in an undesirable manner. The closed-loop system, governed by the feedback control law, is also directly affected by the noise due to imperfect sensor characteristics. The noise components in the sensor signal should be mitigated so that the control command is isolated from the noise effect. This can be done by adding a filter to the sensor output or preventing rapid change in the control command. Dynamic control allocation(DCA), recently studied by Härkegård, is to distribute the control command in the sense of dynamics⁴: the allocation is made over a certain time interval, not a fixed time instant. The dynamic behavior of the control command is taken into account in the course of distributing the control command. Not only the control command requirement, but also variation of the control command over a sampling interval is included in the performance criterion to be optimized. The result is a control command in the form of a finite difference equation over the given time interval.⁴ It results in a filter dynamics by taking the previous control command into account for the synthesis of current control command. Stability of the proposed dynamic control allocation (CA) approach was proved to ensure the control command is bounded at the steady-state. In this study, we extended the results presented in Ref. 4 by adding a two-step dynamic CA term in deriving the control allocation law. Also, the strict equality constraint, between the virtual and actual control inputs, is relaxed in order to construct control command with a smooth profile. The proposed DCA technique is applied to a spacecraft attitude control problem. The sensor noise and/or irregular signals, which are existent in most of spacecraft attitude sensors, can be handled effectively by the proposed approach.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.10
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pp.105-111
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2003
A measurement of spacecraft alignment is an important process of spacecraft assembly, integration and test. Because, it is necessary that a operator of a ground station controls the precise positions of on-orbit spacecraft by using the alignment data of attitude orbit control sensors(AOCS) on spacecraft. And, an accuracy of spacecraft alignment requirement is about $0.1^{\circ}{\sim}0.7^{\circ}$. A spacecraft alignment is measured by autocollimation of theodolite. This paper describes the measurement principle and method of spacecraft alignment. The result shows that all the AOCS on the spacecraft are aligned within the tolerance required through the alignment measurement.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.7
no.7
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pp.589-596
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2001
In this paper, a new design methodology for the optimal control of nonlinear systems described by the TS(Takagi-Sugeno) fuzzy model is proposed. First, a new theorem concerning the optimal stabilizing control of a general nonlinear dynamic system is proposed. Next, based on the proposed theorem and the inverse optimal approach, an optimal controller synthesis procedure for a TS fuzzy system is given, Also, it is shown that the optimal controller can be found by solving a linear matrix inequality problem. Finally, the proposed method is applied to the attitude control of a rigid spacecraft to demonstrate its validity.
Attitude control law design for spacecraft large angle maneuvers is investigated in this paper. The feedback linearization technique is applied to the design of a nonlinear tracking control law. The output function to be tracked is the quaternion attitude parameter. The designed control law turns out to be a combination of attitude and attitude rate tracking commands. The attitude-only output function, therefore, leads to a stable closed-loop system following the given reference trajectory. The principal advantage of the proposed method is that it is relatively easy to produce reference trajectories and associated controller.
This paper describes dynamic analysis and attitude control of a large spacecraft with flexible appendages in gravitational field. The effect of attitude control and vibration control of flexible appendages in gravitational field has been clarified. We demonstrate some simulations in gravitational field for some cases, and suggest the effects of gravitational torque, parameters of flexible appendages, attitude control and vibration control of flexible appendages.
Nonlinear sliding surface design in variable structure systems for spacecraft attitude control problems is studied. A robustness analysis is performed for regular form of system, and calculation of actuator bandwidth is presented by reviewing sliding surface dynamics. To achieve non-singular attitude description and minimal parameterization, spacecraft attitude control problems are considered based on modified Rodrigues parameters (MRP). It is shown that the derived controller ensures the sliding motion in pre-determined region irrespective of unmodeled effects and disturbances.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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