A Nonlinear Model Predictive Controller for flexible satellite attitude control

Abstract

Raskere manøvrering av jordobservasjonssatellitter reduserer tidsbruk og øker tiden tilgjengelig for observasjoner. Formålet med denne oppgaven er å studere hvorvidt det er mulig å benyutte ulineær modellbasert prediktiv kontroll (NMPC) for å manøvrere satellitter med fleksibel dynamikk. Oppgaven undersøker også desaturering av reaksjonshjul under manøvere og unngåelse av reaksjonshjulhastigheter som forårsaker vibrasjoner. Ytelsen til kontrollsystemet evalueres med hensyn til dets evne til å utføre manøvere uten å forårsake langvarige vibrasjoner, samt beregningskompleksitet. Den fleksible dynamikken modelleres med Lagrange's ligninger. Som prediksjonsmodell i NMPC brukes en virtuell harmonisk oscillator og tilhørende utvidet Kalman-filter. Oppgaven viser at kontrollsystemet fungerer godt med riktig tilpasning til den aktuelle fleksible dynamikken. En tilnærming ved hjelp av ulineær modellbasert prediktiv kontroll har potensial til å forbedre manøvreringen av jordobservasjonssatellitter.

Improved agility for Earth Observation satellites reduces the time spent on maneuvers, increasing the time available for observations. The aim of this thesis is to study the feasibility of utilizing Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) for agile rest-to-rest satellite slews with consideration of flexible dynamics. Concerns related to the choice of Reaction Wheels (RWs) as actuators are also considered, including desaturation while slewing and avoidance of RW speeds that excite appendage vibrations. The performance of the control scheme is evaluated with regard to its ability to perform agile slews without exciting long-lasting vibrations and, to some extent, computational complexity. The flexible dynamics of the satellite are modeled using the Assumed Modes Method with Lagrange’s equations. As NMPC prediction model, we utilize a single virtual state harmonic oscillator and corresponding Extended Kalman Filter. The thesis shows that the implemented control scheme performs well if it is appropriately tailored to the flexible dynamics at hand. The Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) control scheme has the potential to increase the agility of flexible satellites.