Sliding mode control with fault tolerance capacities : application to a rendezvous mission in a circular orbit

Commande et commande tolérante aux fautes par modes glissants : application à une mission de rendez-vous en orbite circulaire

• Auteur / Autrice : Jazmin Zenteno Torres
• Direction : David Henry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Didier Theilliol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Henry, Didier Theilliol, Christophe Louembet, Mickaël Rodrigues, Jorge Davila, Jérôme Cieslak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Theilliol, Christophe Louembet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Espace extra-atmosphérique -- Exploration

Quaternions

Commande en mode glissant

Mots clés libres

Modes glissants

Commandes tolérantes aux fautes

Quaternion dual

Mission spatiale

Sliding modes

Fault tolerant control

Dual quaternion

Aerospace application

Résumé

De nombreux travaux de recherche ont ´et´e conduits dans le domaine de synthèse de lois de commande par modes glissants. Différentes approches de commande été proposées dans la litérature, telles que l’algorithme Super-Twisting (STA) et sa version récente, l’algorithme généralisé Super-Twisting (GSTA). Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire de thèse s’inscriventdans ces méthodes pour résoudre le problème de commande et de commande tolérante aux fautes, pour une mission spatiale. La mission considère une cible passive et un chasseur. L’objectif visé est de synthétiser les lois de contrôle d’attitude et de mouvement relatif, tolérantes aux pannes. Les approches proposées abordent la problématique des modes flexibles des panneaux solaires etdes phénomènes de ballottement du carburant dans les réservoirs.Dans un premier travail, une loi de commande de type STA est proposée dans une configuration dite de backstepping. Dans un second travail, une loi de commande tolérante aux fautes basée sur les modes glissants du second ordre, est proposée. La solution est basée sur l’algorithme GSTA ,placé en boucle externe de compensation de défauts utilisant un estimateur de défauts non linéaire. Le problème de saturation des actionneurs est également abordé et une solution basée sur la géométrie polytopique, est proposée. Les éléments clés de l’approche tolérante aux pannes sont, i) d’une part la solution ne nécessite pas de diagnostiquer les fautes et donc n’utilise pas d’algorithme de détection et de localisation de défauts, et ii), d’autre part, l’approche est basée sur le formalisme duquaternion dual qui permet de tenir compte des effets de couplage attitude/mouvement relatif. Des critères orientés mission, illustrent les résultats obtenus au travers d’une campagne de simulation réaliste.

Increasing attention has grown with regards to Sliding Mode Controllers (SMC). In order to reduce the so-called chattering effect, the Super-Twisting Algorithm (STA) has been proposed, recently. In this work, a controller based on the STA in a backstepping setup, is proposed for spacecraft rendezvous in a circular orbit. A key feature is that the chaser is not treated as a point mass, given that the effects of the flexible modes and propellant sloshing phenomena are considered. The results obtained are taken further, given that the guarantee of robustness against perturbations is not enough when it comes to critical systems, through the second ordersliding mode controllers technique. It is shown that the technique enables to solve to problem of fault tolerant control. The solution is based on the Generalized Super-Twisting Algorithm (GSTA) with an anti-windup strategy and a nonlinear observer and the dual quaternion formalism. The main reason of employing a GSTA is because it offers more robustness against state dependentperturbations (sloshing phenomena and flexible modes) than the STA. In addition, with the help of the anti-windup strategy, the control law does not saturate the thrusters, avoiding instablity when faults occur. The proposed solution is evaluated through a simulation campaign in a high-fidelity non-linear simulator, and mission oriented criteria demonstrate its potential.