Geri Dön

Design, modelling and control of a reaction wheel actuated system

Reaksiyon tekeri ile kontrol edilen bir sistemin tasarımı modellenmesi ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 541969
  2. Yazar: RAHMAN BİTİRGEN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 92

Özet

Uzay çağının başladığı zamandan günümüze, uzay araçlarının kararlılığı ve kontrolü önemli bir konu olarak gelişimini sürdürmektedir. Uzay araçları kendileri için belirlenen görevleri gerçekleştirmeleri için kararlı bir yönelme halinde olmaları beklenebilir. Örneğin sürekli dönen bir uydu ile iletişim kurabilmek için, uydunun üzerinde çok yönlü ve çok sayıda anten olması gerekir, ancak eğer uydu sürekli nadir doğrultusunda bakacak şekilde kararlı hale getirilirse tek bir anten ile iletişim sağlanabilir. Benzer şekilde, uzay aracının belirli bir noktaya yönelmesi beklenebilir, örneğin derin uzay araştırmaları, gezegen gözlemleri vb. Bunun gibi durumlarda uzay aracının yörüngesine de bağlı olarak, aktif bir kontrol yöntemi ile yönelmesinin değiştirilmesi gerekmektedir. Uzay araçlarının yönelme kontrolü aktif ya da pasif olarak gerçekleştirilebilmektedir. Pasif yöntemlerden uzay aracının belirli bir hızda döndürülmesi ile kararlı hale getirilmesi yöntemi ilk uzay araçlarında kullanılan bir yöntemdir ve jiroskopik etkiden yararlanılarak dönme ekseninde oluşan bozucu etkilerin giderilmesini sağlar. Bu yöntemde düşük hassasiyet ile kararlılık sağlanır ve haberleşme için çok yönlü antenler kullanılmalıdır. Yer çekiminin değişiminden faydalanarak da pasif olarak uzay aracının kararlı hale getirilmesi mümkündür. Bunun için aracın boyunun eninden çok daha uzun olması gerekmektedir. Bu hali ile uzay aracı bir sarkaca benzetilebilir. Aracın yere yakın bölümüne daha fazla ağırlık kuvveti etkiyor iken, uzak tarafına daha az ağırlık kuvveti etkiyecektir. Oluşan bu fark ile uzay aracının uzun olduğu eksen ile nadir doğrultusunun çakışması sağlanır. Yüksek hassasiyetli uygulamalar için uygun değildir. Aktif yöntemlerde ise kullanılan bir eyleyici ile aktif olarak yönelme kontrolü sağlanabilir. Manyetik eyleyiciler ile bobin üzerinden akım geçirilmesi sonucu bir moment elde edilip yönelme kontrolü sağlanabilir. Ayrıca diğer bir eyleyici olan momentum değişim cihazlarında bulunan disklerin limit hıza erişmeleri halinde kontrollü olarak yavaşlatılmalarında kullanılabilirler. İtki sistemleri yörünge transferlerinde kullanıldığı gibi, yönelme kontrolünde de kullanılabilirler, kimyasal, soğuk gaz ve elektrik olmak üzere üç alt gruba ayrılabilirler. Kimyasal itki cihazları yüksek kuvvet/moment üretebildikleri için momentum değişim cihazlarının yavaşlatılmasında kullanılabilirler. Ayrıca hızlı ve büyük açılı bir yönelme manevrasında kullanılabilirler. Elektrik ve soğuk gaz itki cihazları görece daha düşük kontrol momenti üretirler ve yönelme manevralarında kullanılırlar. Buraya kadar anlatılan aktif kontrol yöntemleri dış bir etki ile moment oluştururlar, momentum değişim cihazlarında ise uzay aracının içinde bir diskin dönüş hızının ya da dönme ekseninin değiştirilmesi bir tepki momenti elde edilir. Reaksiyon Tekerleri (RW), Momentum Tekerleri ve Kontrol Moment Jiroskopları şeklinde üç ayrı grupta toplanabilir. Reaksiyon tekerleri ve momentum tekerleri yapısal olarak aynıdır ancak çalışma prensipleri itibari ile farklılık gösterirler. Bu eyleyiciler, yüksek ataletli bir disk, bu diskin döndürülmesini sağlayan bir elektrik motoru ve motora giden akımı ve gerilimin ayarlanmasında kullanılan devreden oluşurlar. Momentum tekerleri sabit bir hızda döner ve oluşan jiroskopik etki ile kararlılık sağlanır. Reaksiyon (Tepki) tekerlerinde ise diskin dönüş hızı değiştirilerek bir tepki momenti elde edilir. Kontrol Moment Jiroskopları (CMG) ise reaksiyon tekerinin dönüş eksenine gimbal eklenmiş hali olarak düşünülebilir. Bu gimbal ekseninde yüksek tork sağlayabilen bir motor bulunur. CMG'lerde dönen disk sabit hızda dönebileceği gibi, reaksiyon tekeri gibi değişken hızlarda da dönebilir. Gimbal eksenine bağlı olan motorun çalıştırılması ile momentum vektörünün yönü değiştirilir ve RW'ye kıyasla yüksek bir kontrol momenti elde edilebilir. Yüksek hassasiyet gerektiren görevlerde, örneğin uzay teleskopunun belirli bir hızda dönüp, belirli bir noktaya bakması ve sabit olarak o noktaya bakıyor vaziyette kalması gibi, RW ve CMG'ler kullanılırlar. CMG, RW'ye göre daha kompleks bir yapıdadır ve daha maliyetlidir ancak daha yüksek kontrol momenti üretebilir. Uzay görevine bağlı olarak aktif ya da pasif bir yöntem belirlenerek, görevin gereklerini karşılayacak eyleyici(ler) seçilebilir. Bu çalışmada, reaksiyon tekerleri incelenmiş, mekanik-elektronik yapısı konusunda araştırmalar yapılmış, RW'ler ile uzay aracının kontrolü konusunda yapılan yayınlar taranmıştır. Yapılan yayınlarda genellikle kontrol yöntemleri anlatılmış ve simülasyon sonuçları verilmiş, gerçek bir senaryoda ya da donanımsal bir benzetim ortamında test edilmemiştir. Modelleme ve kontrol açısından bakıldığında donanımsal benzetim ortamı, gerçek testler gerçekleştirilmeden önce ve bilgisayar simülasyonlarından sonra önemli bir yer teşkil etmektedir. Test sistemi ile kullanılan eyleyiciler gerçeğe yakın senaryolarda test edilebilir, oluşabilecek hata durumları önceden fark edilip giderilebilir. Bu çalışmada modelleme ve kontrol işlemlerini gerçekleştirmek amacıyla reaksiyon tekeri mekanizması ve reaksiyon tekeri test mekanizması mekanik ve elektronik olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu sayede uzay araçlarında da kullanılan dinamik bir sistemin davranışı gözlemlenmiş ve matematiksel modellemesi ve fiziksel parametrelerinin belirlenmesi işlemleri gerçekleştirilmiştir. Sonraki aşamada ise test mekanizması üzerinde, tasarlanan yönelme kontrolörü test edilmiştir. Birinci bölümde konuya giriş yapılmış, literatüre atıf yapılarak hangi konuların çalışıldığı belirtilmiştir. Konunun neden seçildiği ve tezin amacı detaylı bir şekilde anlatılmıştır. İkinci bölümde teker tasarımında nasıl bir yol izlendiği, tasarımların hangi değişikliklerden geçtiği, bilgisayar destekli çizim ortamında hazırlanan çizimler eklenerek anlatılmıştır. Tasarlanan test düzeneği yunuslama ve sapma eksenleri etrafında hareket edebilmektedir. İki eksende de kontrolü sağlamak için birer RW bulunmaktadır. Eksenlerdeki dönüş açıları enkoderlar ile ölçülmektedir. Enkoderlardan gelen yönelme açıları tasarlanan kontrolörde işlemden geçerek RW'lere iletilmekte ve kontrol sağlanmaktadır. Veri işleme, kaydetme ve kontrolör implementasyonu işlemleri bir mikrokontrolcü ile gerçekleştirilmektedir. Üçüncü bölümde RW ve test sisteminin matematiksel modelinin nasıl elde edildiğinden bahsedilmektedir. RW, doğru akım motor modeli kullanılarak modellenmiştir. Farklı gerilimler için diskin sahip olduğu hızlar kaydedilmiş, motor üreticinin verdiği motor ile ilgili parametreler kullanılarak simülasyon gerçekleştirlmiş ve model, yapılan ölçümler ile doğrulanmıştır. Test sistemi ise Newton'un ikinci yasası kullanılarak modellenmiş, eksenlerdeki sürtünmeler viskoz sürtünme olarak denklemlere dahil edilmiştir. Bu aşamada yapılan ölçümler ile matematiksel modelin simülasyonu birbirleri ile eşleşmemiştir. Bunun sebebi olarak düzeneğin sürtünmesinin doğrusal bir davranış göstermemesi olarak görülmüştür. Bu noktada, test sisteminin modellemesini daha sağlıklı yapabilmek için literatürde bulunan sürtünme modelleri incelenmiş ve statik sürtünmeyi de içeren Stribeck modelinin uygun olduğu görülmüştür. Yapılan ölçümlerden elde edilen veriler, tezde anlatılan yöntemden geçirilerek sürtünmeyi belirleyen parametreler kestirilmiştir. Elde edilen yeni model farklı verilerde de test edilmiş ve yeni modelin ölçümlere yakınsadığı görülmüştür. Dördüncü bölümde, tasarlanan iki farklı kontrol yöntemi anlatılmıştır. Bunlardan ilki, sistem dinamiğinin baştan çözdürülerek, hangi anda diskin hızlandırılacağının hangi anda diskin yavaşlatılacağının bulunması prensibine dayanmaktadır. Bu yöntem açık çevrim kontrol yöntemi olarak adlandırılabilir, geri besleme kullanılmamaktadır. Ancak, sistemin yönelmesinin istenilen değerlere gelip gelmediğini anlamak için geri beslemeli bir yöntem kullanılmalıdır. Tasarlanan ikinci yöntemde, kontrolör parametreleri sistem transfer fonkiyonuna belirsiz parametreler olarak girilmiş, bu parametreler belirli bir uzayda taranarak, kararlılığı sağlayan kazanç değerleri bulunmuştur. Simulasyon sonuçları ve test sistemi sonuçları sunulmuştur. Sonuç bölümünde ise tezin katkısı ve gelecekte yapılması planlanan çalışmalardan bahsedilmişitr.

Özet (Çeviri)

The stability and control of spacecrafts has been an significant topic, since the beginning of the space age. The spacecrafts (S/C) can be required to be stable in some missions depending on the requirements. The S/C can also be required to rotate with a given speed, to observe a point in space, to keep its orientation. In these cases, depending on the orbit of the S/C, the attitude of the S/C should be changed with an active control method. The attitude control of a S/C can be realized with active and/or passive methods. Spin stabilization is a passive method and used for the control of some S/C in the beginning of the space age. This method utilizes the gyroscopic rigidity of a spinning object to reject the disturbances on the rotating axis. Gravity gradient stabilization is another passive stabilization technique. In this method, the S/C should be longer in one axis comparing it to the other axis. The gradient in the length causes the gradient in the gravity. In this way, the longest axis is aligned with the gravity vector and stability can be maintained through the orbit. However the S/C can rotate freely about the gravity axis, due to no control effort on that axis. Therefore it is not suitable for precise missions. In active methods, the attitude of the S/C can be changed with actuators. Magnetic torquers are used to exert a moment on the S/C by applying a current on an inductor. They can be used to dump the excess momentum of the momentum exchange devices. Thrusters can be used in the orbit transfers due to their high torque/force output. They can be used to apply high angle maneuvers on the S/C, also the momentum dumping operations can be done using thrusters. Momentum exhange devices uses the reaction torque generated when the speed or the rotating axis of a high inertia flywheel is changed. Reaction wheel (RW) is composed of a flywheel, an electric motor to drive it and electronic components to change the voltage/current applied on the motor in order to change the speed of the flywheel. Control moment gyroscopes (CMG) can be considered as a RW attached to a gimbal, and on that gimbal axis there is a high torque capable electric motor. The rotation axis can be changed by this gimbal and high control moments comparing to the RW, can be achieved by CMGs. RWs and CMGs are used in high precise missions. CMGs are more complex than the RWs and they are much more expensive. Depending on the mission requirements an active or a passive method and proper actuators can be chosen. In this thesis, reaction wheels, their electro-mechanical structure is researched. A literature survey is conducted on RWs and the control applications with RWs. In the literature, it is observed that most of the research is done on computer simulation environment. It is important to test the systems both mechanical and electronic, on a realistic test environment before real operations. On a test system, the sensors and actuators can be tested and a possible failure can be prevented beforehand. In this research, for the purposes of modelling an control, a RW and a RW actuated test system is designed on computer aided drafting (CAD) programme and then manufactured. As a result, it become possible to observe the behavior of this dynamic system. A mathematical model is developed and validated with the experimental data. Then, the desinged controller is tested on the platform. In the first section, the current research in the literature is presented. The purpose of the thesis is explained. In the second section, the design process of RW and the test platform is explained with the CAD drawings. The testbed can be rotated in two axis, pitch and yaw. On each axis, there is a RW to control the orientation. There are encoders on each axis to measure the angles. The measured angles are processed with a controller and the control signal is applied on the RWs. The processes of measurement, calculation, data recording, controller implementation are done on a micro-controller. In the third section, the mathematical model for a RW and the testbed is obtained. RW is modelled using DC motor model. The testbed is modelled with the Newton's second law, the friction is taken as viscous friction and embedded in the equation of motion. During tests, it is observed that the simulation results and the real data does not match. An update for the friction model is required. Literature is surveyed on the topic of friction. It is decided that the Stribeck friction model best represent the nonlinear behavior of the testbed. In the fourth section, controllers are designed. The first one is an open loop control law to determine the time when to increase speed of the flywheel and when to decrease it. In order to check if the desired angle is reached a feedback controller is needed. The second controller is A PD based controller designed using parameter space approach. In the last section, the contribution of the thesis is explained briefly and future work is discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323845

    Eksik tahrikli tekerlekli sarkaç sisteminin tasarımı ve kontrolü

    Design and control of reaction wheel pendulum

    OZAN TÜRKER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. S. MURAT YEŞİLOĞLU

  2. Tez No

    101188

    Binek otomobillerde otomatik şanzıman konstrüksiyonu

    Automatic transmission design for passenger cars

    OĞUZHAN AVDAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2000

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SAİT YÜCENUR

  3. Tez No

    397970

    QB50 uydusunun yönelim belirleme ve kontrol sisteminin entegrasyonu ve testleri

    Entegration and tests of attitude determination and control system of QB50 satellite

    SİBEL TÜRKOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN

  4. Tez No

    735175

    Mekanik el fren sistemi sonlu elemanlar analiz modelinin deformasyon testleri ile doğrulanması ve tasarım iyileştirme çalışması

    Verification of the finite element analysis model of the mechanical hand brake system with deformation tests and design optimization

    EMRE BAYDUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK

  5. Tez No

    166931

    Design of a mobile robot to move on rough terrain

    Engebeli arazide hareket eden mobil robot tasarımı

    UĞUR KIRMIZIGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL İDER

Geri Dön