Thèse en cours

Modélisation, analyse et commande des grandes structures spatiales flexibles

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Auteur / Autrice : Ricardo De oliveira valente moreno rodrigues
Direction : Daniel AlazardFrancesco Sanfedino
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Automatique
Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA ACDC - Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes

Résumé

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Au cours des dix dernières années, le département Conception et Conduite des Véhicules Aéronautiques et Spatiales (DCAS) de l'Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-SUPAERO, Toulouse, France) a développé des modèles de systèmes mécaniques sous forme LFT (Linear Fractional Transformation) minimal (en termes de occurrences de paramètres mécaniques) en étroite collaboration avec des divers partenaires (ESA, ONERA, Airbus DS, Thales Alenia Space). Le cadre développé est une approche multi-corps appelée Two-Input Two-Output Ports (TITOP) [10, 11, 12, 13, 14] qui est capable de connecter plusieurs sous-structures flexibles à travers des ports dynamiques en tenant compte des paramètres incertains et de toutes les configurations possibles (variation des propriétés mécaniques, variation des configurations géométriques comme l'angle de rotation du panneau solaire, variation de la vitesse de la roue de réaction, etc.) dans un modèle LFT unique. Ce modèle peut être ensuite directement utilisé pour faire la synthèse d'un contrôleur robuste et l'analyse robuste de la stabilité et des performances [4, 15, 16] en utilisant les routines Matlab disponibles dans la Robust Control Toolbox [17]. Tous les modèles dérivés dans l'approche TITOP ont été systématiquement implémentés dans la dernière version de la Satellite Dynamics Toolbox (SDT) [18, 19], qui permet à l'utilisateur de construire le modèle d'un véhicule spatial flexible. Cette boîte à outils permet d'assembler des structures complexes construites avec un logiciel FEM (ex: Patran/Nastran) dans un environnement Simulink en extrayant directement leurs informations dynamiques du modèle élément finis grâce à une interface dédiée avec ©Matlab [20, 14]. L'objectif de cette activité de recherche est d'enrichir les fonctionnalités de l'outil afin de le rendre générique pour une activité de co-conception structure/commande de bout en bout. Aujourd'hui, les industries spatiales s'appuient sur plusieurs logiciels pour piloter ce type d'activité. Ceci entraîne un manque de compréhension physique, un manque de maîtrise des tâches de modélisation et d'analyse/validation dans un même formalisme, une augmentation du temps de calcul due à plusieurs itérations et des échanges de données entre différents outils. A partir de l'abondante littérature ciblée sur ce sujet, l'activité doctorale consistera à combler les lacunes suivantes : * Développement et validation des modèles non-linéaires entièrement paramétriques dans le formalisme TITOP (aujourd'hui restreint dans la SDT au comportement linéaires des systèmes) en compte les grandes déformations et les termes non-linéaires dynamiques (accélérations centrifuges et de Coriolis) * Développement d'une fonction de linéarisation dédiée qui prend en compte toutes les incertitudes paramétriques/non paramétriques du modèle et fournit un système dynamique LFT incertain correct même en présence de forces/couples distribués comme la gravité * Développement d'algorithmes de réduction d'ordre système afin de fournir des modèles linéaires LFT pour la synthèse de contrôle et l'analyse linéaire pire/cas avec un nombre limité d'états Développement et validation du modèle TITOP de structure en treillis * Développement de l'algorithme pour la co-optimisation du contrôle/de la structure [21] qui répondent aux exigences de la mission Le travail de thèse a enfin une tâche expérimentale : * Le processus de conception/modélisation/contrôles/validation doit être validé sur un banc d'essai expérimental. La co-conception d'une structure flexible contrôlée activement par un ensemble d'actionneurs sera réalisée. Des techniques de contrôle robustes seront utilisées afin de synthétiser le contrôleur actif comme dans [16]. Bibliographie: [1] C. Dennehy and O. S. Alvarez-Salazar, “Spacecraft Micro-Vibration: A Survey of Problems, Experiences, Potential Solutions, and Some Lessons Learned,” NASA, Tech. Rep. NASA/TM-2018-220075, 2018. [2] European Cooperation for Space Standardization (ECSS), “Spacecraft mechanical loads analysis handbook,” European Space Agency (ESA), Tech. Rep. ECSS-E-HB-32-26A, 2013. [3] V.Preda,“RobustMicrovibrationControlandWorst-caseAnalysisforHighPointingStabilitySpaceMissions,”Ph.D. dissertation, Université de Bordeaux, 2017. [4] F. Sanfedino, “Experimental validation of a high accuracy pointing system,” Ph.D. dissertation, Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-SUPAERO, Toulouse, France). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux, 2019. [Online]. Available: http: //www.theses.fr/2019ESAE0009 [5] G. S. Nurre, J. P. Sharkey, and H. B. Waites, “Initial performance improvements due to design modifications for the Pointing Control System on the Hubble Space Telescope,” in Guidance and Control 1991, Jan. 1991, pp. 493–511. [6] C. L. Foster, M. L. Tinker, G. S. Nurre, and W. A. Till, “Solar-array-induced disturbance of the hubble space telescope pointing system,” Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 32, no. 4, pp. 634–644, 1995. [7] K.-C. Liu, T. Kenney, P. Maghami, P. Mule, C. Blaurock, and W. B. Haile, “Jitter Test Program and On-Orbit Mitigation Strategies for Solar Dynamic Observatory,” in Proceedings of the 20th International Symposium on Space Flight Dynamics, Greenbelt, Maryland, United States., 2007. [8] P. Laurens, E. Decoux, and M. 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Cumer, “Flexible Multibody System Linear Modeling for Control Using Component Modes Synthesis and Double-Port Approach,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 138, no. 12, p. 121004, 8 2016. [Online]. Available: http://dynamicsystems.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?doi=10.1115/1.4034149 [13] J. Chebbi, V. Dubanchet, J. A. Perez Gonzalez, and D. Alazard, “Linear dynamics of flexible multibody systems,” Multibody System Dynamics, vol. 41, no. 1, pp. 75–100, 9 2017. [Online]. Available: http://link.springer.com/10.1007/s11044-016-9559-y [14] F. Sanfedino, D. Alazard, V. Pommier-Budinger, A. Falcoz, and F. Boquet, “Finite element based n-port model for preliminary design of multibody systems,” Journal of Sound and Vibration, vol. 415, pp. 128–146, 2018. [15] F. Sanfedino, V. Preda, V. Pommier-Budinger, D. Alazard, F. Boquet, and S. Bennani, “Robust active mir- ror control based on hybrid sensing for spacecraft line-of-sight stabilization,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2020. [16] V. Preda, F. Sanfedino, S. Bennani, F. Boquet, and D. Alazard, “Robust and adaptable dynamic response reshaping of flexible structures,” Journal of Sound and Vibration, vol. 468, p. 115086, 2020. [17] G. Balas, R. Chiang, A. Packard, and M. Safonov, “Robust Control Toolbox User's Guide,” Matlab, Tech. Rep., 2016. [18] D. Alazard and F. Sanfedino, “Satellite dynamics toolbox for preliminary design phase,” in 43rd Annual AAS Guidance and Control Conference, 30 January 2020 - 5 February 2020 (Brechenridge, United States), 2020, pp. 1461–1472. [19] D. Alazard, “Satellite dynamics toolbox,” https://personnel.isae-supaero.fr/daniel-alazard/matlab-packages/ satellite-dynamics-toolbox.html, accessed: 2020-01-25. [20] H. Murali, D. Alazard, L. Massotti, F. Ankersen, and C. Toglia, “Mechanical-Attitude Controller Co-design of Large Flexible Space Structures,” in Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control. Springer, Cham, 2015. [21] A. Falcoz, M. Watt, M. Yu, A. Kron, P. P. Menon, D. Bates, F. Ankersen, and L. Massotti, “Integrated control and structure design framework for spacecraft applied to biomass satellite.” IFAC Proceedings Volumes, vol. 46, no. 19, pp. 13–18, 2013.