Resonance Mitigation in the Attitude Control of a Flexible Large Solar Sail
2023 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Resonansreducering i attitydkontroll av ett flexibelt stort solsegel (Swedish)
Abstract [en]
This project is about the design process of a resonancemitigating algorithm for a large solar sail. The solar sail isa structure made up by four long booms in a cross patternwith suspended sails between the edges of the booms. Thespacecraft in this report is controlled using smaller rotatingsails at each tip of the booms. Since the booms are longthey will experience significant bending moment even thoughthe actual force from the control sails will be small. Thisbending has a high risk of exciting the spacecraft’s resonancemodes, which will in turn complicate the control of theentire spacecraft. Because of this it is necessary to designan algorithm to mitigate resonance excitation. To design thisalgorithm three main steps were taken, an approximation ofspacecraft resonance modes, a valid mathematical model ofthe system and robustness building to handle model error.The resonance modes were approximated through analyticalformulas. The boom model was determined by combiningdifferent approaches from previous similar works. Finally,the controller chosen was a simple PID controller with abuilt-in saturation limiter to make sure the controller stayswithin the spacecraft’s operating bounds. To ensure robustness,multiple test simulations were made on systems with differentresonance modes compared to the true system. The chosencontroller passed these tests. Ultimately the chosen controllerreduced the settling time of the resonance oscillations by 75%.
Abstract [sv]
Detta projekt handlar om designprocessen för en resonansre-ducerande algoritm för ett stort solsegel. Solseglet är en systemsom består utav fyra utsträckta bommar i ett korsmänster medett uppspänt segel mellan bommarnas kanter. Rymdfarkosteni denna rapport styrs med hjälp av mindre roterande segelvid varje ände av bommarna. Eftersom bommarna är långakommer de att uppleva ett omfattande böjmoment även omden faktiska kraften som kommer från styrseglen kommer attvara liten. Detta böjmoment medför en risk för excitering avfarkostens resonansmoder, vilket i sin tur försvårar regleringav hela farkosten. På grund utav detta är det nödvändigt attutforma en algoritm som hanterar resonansexcitation. För attutforma denna algoritm antogs tre utgångspunkter: En approx-imation av farkostens resonanslägen, en matematisk modell avsystemet och robusthetsbyggande för att motverka modellfel.Resonanslägena approximerades med hjälp av analytiska form-ler. Den matematiska modellen bestämdes genom att kom-binera olika tillvägagångssätt från tidigare liknande arbeten.Slutligen var styrmetoden som valdes en enkel PID-regulatormed en inbyggd mättnadsbegränsare f ̈or att säkerställa attstyrenheten håller sig inom rymdfarkostens driftgränser. F ̈oratt säkerställa robusthet gjordes ett flertal testsimuleringar påkonstruerade system med olika resonanslägen jämfört med detverkliga systemet. Den valda kontrollen klarade dessa tester.Slutligen reducerade den valda styrenheten sättningstiden f ̈orresonanssv ̈angningar med 75%
Place, publisher, year, edition, pages
2023.
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2023:004
Keywords [en]
Resonance, Control theory, Mechanics, Solar sail, PID, Space
Keywords [sv]
Resonans, Reglerteknik, Mekanik, Solsegel, PID, Rymd
National Category
Aerospace Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-324416OAI: oai:DiVA.org:kth-324416DiVA, id: diva2:1740181
Subject / course
Space Technology
Educational program
Master of Science - Aerospace Engineering
Supervisors
Examiners
2023-03-032023-02-282023-03-03Bibliographically approved