Attitude Dynamics and Control of Satellites With Fluid Ring Actuators

Successful mission of a satellite depends on maintaining a fixed orientation with respect to the Earth.However, the attitude angles of a satellite can be perturbed because of various natural disturbance sources, such as the Earth's gravity gradient, solar radiation pressure, and the Earth's magnetic field.Modeling the attitude dynamics and developing a controller to stabilize the attitude motion are quite important steps in the design of satellites.Although several actuators exist to control the attitude motion, a novel type considered in the thesis, shows promise of producing a high torque to mass ratio.This potential justifies the in-depth study reported.The novel actuator in question consists of a ring containing fluid, whose flow is regulated by a pump.The control torque is produced due to the variation of the angular velocity of the fluid.In this thesis, first, a redundant actuator system composed of four fluid rings in a pyramidal configuration is studied.The dynamical model of the system is developed for a satellite travelling either in a circular or an elliptical orbit.The dynamical analysis of this system leads to an underdetermined system of nonlinear differential equations, whose RÉSUMÉ La réussite d'une mission d'un satellite dépend du maintien d'une orientation fixe par rapport à la Terre.Toutefois, les angles d'attitude d'un satellite changent en raison d'excitations diverses.Un modèle dynamique est utile pour prédire l'attitude du satellite le développement un contrôleur pour stabiliser l'attitude est également importantes.Un nouvel actionneur pour le contrôle de l'attitude est proposé dans cette thèse.L'actionneur fluidique produit un couple élevé par rapport à la masse.L'actionneur en question se compose d'un anneau rempli par un fluide.L'écoulement de ce fluide est régulé par une pompe.Le couple de commande est produit par la variation du moment cinétique du fluide.Un système d'actionnement redondant composé de quatre anneaux de fluide dans une configuration pyramidale est d'abord étudié.Le modèle dynamique du système est développé pour un satellite voyageant dans une orbite circulaire ou elliptique.L'analyse dynamique de ce système mène à un système sous-déterminé d'équations différentielles non-linéaires.La solution, sans tenir compte du couple produit par le contrôleur, montre que les anneaux de fluide peuvent agir comme régulateurs passifs, ce qui amortit les perturbations d'attitude d'un satellite sur une orbite circulaire et les perturbations en roulis-lacet selon une orbite elliptique.Cependant, cet effet d'amortissement passif est assez lent.Par conséquent, le contrôleur actif fut conçu.Les résultats obtenus montrent que les angles d'attitude du satellite sont stabilisés rapidement.De plus, l'effet de la défaillance d'un anneau liquide sur la performance du sous-système de contrôle d'attitude (SCA) du satellite est étudié.On constate que, même dans le cas de défaillance d'un anneau de fluide, le satellite peut être stabilisé par la modification du contrôleur actif.En raison des limites de ressources de calcul dans les applications spatiales, un modèle simple de l'écoulement du fluide est adopté ici.Un contrôleur au mode glissant est donc conçu pour être robuste aux incertitudes dans le modèle hydraulique et dans les iii paramètres du système.Bien que les résultats obtenus soient assez satisfaisants, l'effet importun du 'chattering' existe dans l'état stationnaire du système.Un contrôleur hybride composé d'un contrôleur au mode glissant avec une loi de commande PID est conçu pour éliminer cet effet.Les résultats théoriques sont validés expérimentalement.À cette fin, une première configuration consistant en un anneau de fluide est conçue et construite.Puis un test sur un anneau de fluide unique attaché à un disque est effectué pour vérifier si le système peut être contrôlé, et si le modèle théorique représente le comportement réel.Bien que les résultats expérimentaux confirment la théorie développée dans cette thèse, le grand couple à rapport de masse nécessite un coût de tension d'entrée très élevé pour les pompes de régulation du débit.Par conséquent, deux nouvelles applications d'anneaux de fluide sont proposées dans cette thèse: comme actionneur pour les satellites stabilisés de spin, ou comme actionneur auxiliaire avec magnéto-coupleurs.L'utilisation des anneaux de liquide dans les satellites stabilisés par rotation est le premier champ d'application proposé comme une alternative aux courants micropropulseurs.Dans ce système, deux anneaux de fluide sont montés sur le satellite alors que leurs axes de symétrie sont alignés avec les directions de roulis et de lacet.Pour vérifier la faisabilité et la performance, un modèle dynamique de ce satellite en rotation avec deux anneaux de fluide est développé.Ensuite un contrôleur modifié est conçu pour stabiliser l'attitude du satellite.Le deuxième système d'actionneur est développé en utilisant les anneaux de fluide comme actionneurs complémentaires dans les satellites avec magnéto-coupleurs.Un modèle dynamique est développé, et un contrôleur est également conçu pour étudier la performance de ce système.Le système est d'abord examiné sans l'utilisation de l'anneau de fluide.Les résultats montrent que le satellite est stabilisé par seulement deux magnétocoupleurs, mais lentement.Après l'ajout de l'actionneur actif de l'anneau de fluide dans le système, le temps de stabilisation est réduit par un facteur de dix.L'échec de l'anneau de fluide et de chaque couple magnétique sont testés.

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