Published January 1, 2022 | Version v1
Publication Open

A Simple Structure Constrained Attitude Control for Rigid Bodies: A PD-Type Control

  • 1. National Yunlin University of Science and Technology
  • 2. Jeddah University
  • 3. Namal College
  • 4. Taif University
  • 5. University of Louisiana at Lafayette

Description

This study investigates the challenging and complicated issue of full-state constraint attitude control for rigid bodies under actuators physical limitation. Using the concept of prescribed performance control (PPC), a novel proportional-derivative (PD)-type control is introduced by which both the attitude quaternion and the rotation velocity of the rigid body are enforced to possess specific behaviors in transient and steady state. To this end, a prescribed performance function (PPF) with finite-time convergence is first defined as the predefined boundaries for the quaternion and rotation velocity. Subsequently, a constrained PD-type attitude control for rigid body attitude system is developed. The significant difference between the proposed methodology and the PPC is the simple structure of the controller making it more applicable from practical implementation point of view. Indeed, due to the use of error transformation in the PPC, the controller contains partial derivative terms and complicated functions even for only constraining the attitude quaternion. When it comes to angular velocity constraint as well, the complexity of the control design procedure is doubled. It is rigorously proved that the suggested control framework can successfully satisfy constraints not only on the quaternion but also on the angular velocity, simultaneously. These interesting results are obtained even when the actuator saturation is considered. The simulation results conducted on a rigid spacecraft verify the efficacy and applicability of the suggested constrained attitude control approach.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تبحث هذه الدراسة في القضية الصعبة والمعقدة المتمثلة في التحكم في موقف تقييد الحالة الكاملة للأجسام الصلبة تحت القيود المادية للمشغلات. باستخدام مفهوم التحكم في الأداء المحدد (PPC)، يتم تقديم عنصر تحكم جديد من النوع النسبي المشتق (PD) يتم من خلاله فرض كل من رباعي المواقف وسرعة دوران الجسم الصلب لامتلاك سلوكيات محددة في حالة عابرة ومستقرة. ولتحقيق هذه الغاية، يتم تعريف دالة الأداء الموصوفة (PPF) مع التقارب في الوقت المحدد أولاً على أنها الحدود المحددة مسبقًا لسرعة الدوران والدوران. بعد ذلك، يتم تطوير تحكم مقيد في الموقف من نوع PD لنظام موقف الجسم الصلب. الفرق الكبير بين المنهجية المقترحة و PPC هو الهيكل البسيط لوحدة التحكم مما يجعلها أكثر قابلية للتطبيق من وجهة نظر التنفيذ العملي. في الواقع، نظرًا لاستخدام تحويل الخطأ في PPC، تحتوي وحدة التحكم على مصطلحات مشتقة جزئية ووظائف معقدة حتى لتقييد رباعية الموقف فقط. عندما يتعلق الأمر بقيود السرعة الزاوية أيضًا، يتضاعف تعقيد إجراء تصميم التحكم. ثبت بصرامة أن إطار التحكم المقترح يمكن أن يلبي بنجاح القيود ليس فقط على الرباعية ولكن أيضًا على السرعة الزاوية، في وقت واحد. يتم الحصول على هذه النتائج المثيرة للاهتمام حتى عند النظر في تشبع المشغل. تتحقق نتائج المحاكاة التي يتم إجراؤها على مركبة فضائية صلبة من فعالية وقابلية تطبيق نهج التحكم في الموقف المقيد المقترح.

Translated Description (French)

Cette étude examine la question difficile et compliquée du contrôle de l'attitude des contraintes à l'état complet pour les corps rigides sous la limitation physique des actionneurs. En utilisant le concept de contrôle de performance prescrit (PPC), un nouveau contrôle de type proportionnel-dérivé (PD) est introduit par lequel le quaternion d'attitude et la vitesse de rotation du corps rigide sont imposés pour posséder des comportements spécifiques en état transitoire et stable. À cette fin, une fonction de performance prescrite (PPF) avec convergence en temps fini est d'abord définie comme les limites prédéfinies pour le quaternion et la vitesse de rotation. Par la suite, un contrôle d'attitude de type PD contraint pour un système d'attitude du corps rigide est développé. La différence significative entre la méthodologie proposée et le PPC est la structure simple du contrôleur qui le rend plus applicable du point de vue de la mise en œuvre pratique. En effet, en raison de l'utilisation de la transformation d'erreur dans le PPC, le contrôleur contient des termes dérivés partiels et des fonctions compliquées même pour ne contraindre que le quaternion d'attitude. En ce qui concerne également la contrainte de vitesse angulaire, la complexité de la procédure de conception du contrôle est doublée. Il est rigoureusement prouvé que le cadre de contrôle suggéré peut satisfaire avec succès des contraintes non seulement sur le quaternion mais aussi sur la vitesse angulaire, simultanément. Ces résultats intéressants sont obtenus même lorsque la saturation de l'actionneur est prise en compte. Les résultats de simulation menés sur un vaisseau spatial rigide vérifient l'efficacité et l'applicabilité de l'approche de contrôle d'attitude contrainte suggérée.

Translated Description (Spanish)

Este estudio investiga el desafiante y complicado tema del control de actitud de restricción de estado completo para cuerpos rígidos bajo la limitación física de los actuadores. Utilizando el concepto de control de rendimiento prescrito (PPC), se introduce un nuevo control de tipo proporcional-derivado (PD) mediante el cual tanto el cuaternión de actitud como la velocidad de rotación del cuerpo rígido se hacen cumplir para poseer comportamientos específicos en estado transitorio y estacionario. Con este fin, una función de rendimiento prescrita (FPP) con convergencia de tiempo finito se define primero como los límites predefinidos para el cuaternión y la velocidad de rotación. Posteriormente, se desarrolla un control de actitud de tipo PD restringido para el sistema de actitud de cuerpo rígido. La diferencia significativa entre la metodología propuesta y el PPC es la estructura simple del controlador, lo que lo hace más aplicable desde el punto de vista de la implementación práctica. De hecho, debido al uso de la transformación de errores en el PPC, el controlador contiene términos derivados parciales y funciones complicadas incluso para restringir solo el cuaternión de actitud. Cuando se trata también de la restricción de velocidad angular, la complejidad del procedimiento de diseño de control se duplica. Se ha demostrado rigurosamente que el marco de control sugerido puede satisfacer con éxito las restricciones no solo en el cuaternión sino también en la velocidad angular, simultáneamente. Estos interesantes resultados se obtienen incluso cuando se considera la saturación del actuador. Los resultados de la simulación realizados en una nave espacial rígida verifican la eficacia y aplicabilidad del enfoque de control de actitud restringido sugerido.

Files

09684849.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:afbcbf8464bc6001b5d2d45d59c94a3c
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
هيكل بسيط للتحكم في الموقف المقيد للأجسام الصلبة: تحكم من نوع PD
Translated title (French)
Un contrôle d'attitude contraint par une structure simple pour les corps rigides : un contrôle de type PD
Translated title (Spanish)
Un control de actitud restringido de estructura simple para cuerpos rígidos: un control de tipo PD

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4205278845
DOI
10.1109/access.2022.3144627

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1749583513
  • https://openalex.org/W1895366186
  • https://openalex.org/W2055510658
  • https://openalex.org/W2058670127
  • https://openalex.org/W2061098383
  • https://openalex.org/W2097121541
  • https://openalex.org/W2101413622
  • https://openalex.org/W2137427741
  • https://openalex.org/W2156150378
  • https://openalex.org/W2537425617
  • https://openalex.org/W2595214713
  • https://openalex.org/W2614561146
  • https://openalex.org/W2763115325
  • https://openalex.org/W2789216305
  • https://openalex.org/W2790828129
  • https://openalex.org/W2801870674
  • https://openalex.org/W2884358206
  • https://openalex.org/W2885449752
  • https://openalex.org/W2888027894
  • https://openalex.org/W2891083589
  • https://openalex.org/W2891244976
  • https://openalex.org/W2891298882
  • https://openalex.org/W2901580600
  • https://openalex.org/W2916013785
  • https://openalex.org/W2948709251
  • https://openalex.org/W2954231962
  • https://openalex.org/W2958856476
  • https://openalex.org/W2958962467
  • https://openalex.org/W2967866161
  • https://openalex.org/W2971587536
  • https://openalex.org/W2972327386
  • https://openalex.org/W2980875243
  • https://openalex.org/W3011267830
  • https://openalex.org/W3015269253
  • https://openalex.org/W3033161759
  • https://openalex.org/W3107840953
  • https://openalex.org/W3126569076
  • https://openalex.org/W3127334557
  • https://openalex.org/W3128927706
  • https://openalex.org/W3138586239
  • https://openalex.org/W3163832208
  • https://openalex.org/W3172925031
  • https://openalex.org/W3199607307