فهرست مطالب

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل اول مقدمه

صفحات خورشیدی در ماهواره­ها به طور گسترد­ه­ای در انجام جذب انرژی خورشید مورد استفاده قرار می­گیرند. از این انرژی برای ایجاد انرژی لازم برای در مدار باقی ماندن ماهواره­ها استفاده می­شود. این انرژی به ماهواره سرعت لازمه مورد نیاز برای در مدار باقی ماندن را می­دهد. ماهواره­ها تا زمانی که انرژی لازم برای داشتن سرعت لازمه در حرکت بر روی مدار را داشته باشند می­توانند در مدار مورد نظر خود حرکت کنند. به محض این که این انرژی به پایان برسد، ماهواره از مدار خارج شده و در حرکتی مارپیچی شکل به داخل جو زمین آمده و سقوط می­کنند. طراحی این صفحات خورشیدی کاری دقیق و با تکنولوژی بالا محسوب می­شود. اغلب صفحات خورشیدی موجود به طریقی طراحی و ساخته می­شوند که سختی لازم را دارا باشند تا قسمت اصلی ماهواره بتواند با حداقل ارتعاشات به موقعیت نهایی مطلوب خود برسد.  البته این سختی نباید با استفاده از طراحی­های سنگین و حجیم به­دست آید. چرا که، وجود صفحات خورشیدی صلب سنگین، باعث افزایش وزن کلی ماهواره خواهد شد. از طرف دیگر، وجود اجزا انعطاف­پذیر بر روی ماهواره­ها مانند صفحات خورشیدی، بازوهای بلند یک ربات فضایی و یا میله آنتن مخابراتی یک ماهواره، منجر به در نظر گرفتن تمهیداتی برای مقابله با اثرات انعطاف­پذیری می­گردد. به عنوان مثال اگر دوربین تعبیه شده بر روی بدنه ماهواره قصد گرفتن عکس از زمین را داشته باشد، ارتعاشاتی که از صفحات خورشیدی بر روی بدنه ماهواره تاثیر می­گذارند، مانع از گرفتن عکسی با کیفیت بالا از سطح زمین خواهند شد. سیستم­های چندجسمی شامل اجزا صلب و انعطاف­پذیر، از نظر دینامیکی شامل اجزاء پیوسته­ای هستند که از معادلات دیفرانسیل معمولی و جزئی جفت شده و غیرخطی تبعیت می­کنند. حل تحلیلی چنین سیستم­هایی تقریباً امکان­پذیر نمی­باشد. مشکل اصلی این سیستم­ها، مسئله ارتعاش عضوهای انعطاف­پذیر به دلیل سختی کم آنها می­باشد. روش­های متفاوتی برای مدل­سازی سیستم­های دینامیکی انعطاف­پذیر ارائه شده است. مدل­های ریاضی چنین سیستم­هایی عموماً از قضایای انرژی استخراج می­شوند. برای یک جسم صلب ساده، انرژی جنبشی براساس سرعت­های خطی و دورانی و همچنین انرژی پتانسیل براساس موقعیت مراکز جرم در میدان جاذبه بیان می­شود. در دینامیک اجسام چند جسمی، یک دستگاه اینرسی به عنوان دستگاه مرجع کلی برای تشریح حرکت یک سیستم چندجسمی به کار می­رود. همچنین یک دستگاه واسطه که به هر یک از اجزاء انعطاف­پذیر متصل است که جابه­جایی­ها و چرخش نسبی جسم را تعقیب می­کند. حرکت نسبت به این دستگاه واسطه نوعاً فقط به دلیل تغییر شکل جسم می­باشد. این انتخاب محاسبات نیروهای داخلی را ساده می­سازد، چرا که اندازه تنش­ها و کرنش­ها تحت حرکت جسم صلب تغییر نمی­کنند. همانند تانسور تنش کوشی و تانسور کرنش کوچک که می­تواند برای محاسبه نیروها نسبت به دستگاه واسطه مورد استفاده قرار بگیرد. این تانسورها منجر به یک نیروی خطی در این جابجایی نسبی می­شوند. نوع عمده از دستگاه واسطه که مورد استفاده قرار می­گیرند دستگاه شناور خوانده می­شوند. دستگاه شناور، حرکت جسم اصلی از ذره یا مولفه انعطاف­پذیر داخلی را تعقیب می­کند. یکی دیگر از روش­های مدل­سازی دینامیکی اجسام چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر استفاده از ویژگی­های نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS به طور همزمان است. نرم­افزار ANSYS با استفاده از روش المان محدود قادر به انجام آنالیز ارتعاشی و نرم­افزار ADAMS توانایی حل معادلات دینامیکی صلب و انعطاف­پذیر را در یک محیط داراست. با ترکیب این دو نرم­افزار قادر خواهیم بود با دقت بالایی مختصات تعمیم­یافته مورد نظر را به­دست آوریم. در بخش کنترل چنین سیستم­هایی با چالش­های بسیاری مواجه هستیم به این ترتیب که در اثر خیز الاستیک اجزای انعطاف­پذیر، سنسورهای اندازه­گیری دستگاه ناوبری مقادیر خطاداری را نشان می­دهند که حلقه کنترلی در مواجهه با این اثرات دچار عملکرد نامطلوب می­گردد. برای جلوگیری از این مشکل یکی از بهترین استراتژی­ها حذف نوسانات از روی اندازه­گیری­ها با استفاده از فیلترهای باریک و سیستم­های تطبیقی می­باشد. به این ترتیب می­توانیم با استفاده از کنترلرهایی ساده، سیستم­های دینامیکی پیچیده را به راحتی کنترل کنیم. نبود سنسور بر روی اجزاء انعطاف­پذیر دیگر چالش پیش روی است. برای حل این مسئله می­توانیم از اثرات ارتعاشی که اجزاء انعطاف­پذیر بر روی اجزاء صلب می­گذارند استفاده کنیم.در این مقاله ابتدا به مدل­سازی دینامیکی یک ماهواره که شامل یک بدنه صلب مرکزی و دو صفحه انعطاف­پذیر می­پردازیم. مدل­سازی دینامیکی ابتدا با استفاده از روش لاگرانژ در حالت شبه­مختصات و سپس با استفاده از دو نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS انجام گرفته است. در بخش کنترلی نیز از یک سیستم تطبیقی مدل مرجع و فیلتر باریک برای حذف ارتعاشات بر روی سرعت زاویه­ای بدنه صلب ماهواره استفاده شده است. در نهایت نتایج شبیه­سازی این کنترلر آورده شده و مزیت­های آن مورد بررسی قرار گرفته است.

1-1- تاریخچه موضوع

آقای لی و همکاران در ]1[ و ]2[ کنترل وضعیت یک ماهواره انعطاف­پذیر که دارای پنل­های خورشیدی می­باشد را توسط کنترل تطبیقی مود لغزشی بررسی کرده­اند. در روش پیشنهادی عملکرد سیستم بهبود یافته و باعث کاهش گشتاور کنترلی اعمالی به ماهواره شده است ولی معادلات حاصله به شدت پیچیده است.آقای سونگ و همکاران ]3[ کنترل وضعیت یک ماهواره انعطاف­پذیر را انجام داده­اند. در این پژوهش یک تراستر به روش مدولاتور فرکانس پالس پنای پالسی شبیه­سازی شده و از کنترل bang-bang استفاده شده است.

آقایان ابراهیمی و همکارانش در ]4[ و ]5[ طراحی کنترل­کننده بهینه حداقل زمان برای ماهواره­های انعطاف­پذیر در مانور چرخشی مورد مطالعه قرار داده­اند. در این پژوهش پنل­های خورشیدی به عنوان اجزای انعطاف­پذیر در نظر گرفته شده است. پنل­ها به صورت تیر یک سر در گیر مدل شدند. در طراحی کنترلر، مود صلب در نظر گرفته شده ولی اثرات ورودی کنترلی بر روی مدل انعطافی سیستم مورد مطالعه قرار گرفته است.در مرجع ]6[ مسئله مدل­سازی یک تیر الاستیک در حال چرخش که یک طرف آن مفصل و طرف دیگر آن آزاد است، بیان شده است. همچنین در این مقاله عملگر ماهواره به صورت یک موتور الکتریکی DC مدل شده است.

1- مقدمه…………………………………………………………………………………  2

1-1- تاریخچه موضوع…………………………………………………………………..  4

فصل دوم مدل سازی دینامیکی 

روش­های متفاوتی برای مدل­سازی سیستم­های دینامیکی انعطاف­پذیر ارائه شده است. مدل­های ریاضی چنین سیستم­هایی عموماً از قضایای انرژی استخراج می­شوند. برای یک جسم صلب ساده، انرژی جنبشی براساس سرعت­های خطی و دورانی و همچنین انرژی پتانسیل براساس موقعیت مراکز جرم در میدان جاذبه بیان می­شود. اما اجسام انعطاف­پذیر، انرژی پتانسیل را به وسیله تغییرشکل خود، مفاصل و یا گرداننده آن­ها ذخیره می­کند. مفاصل معمولاً با یک فنر که فقط انرژی پتانسیل را ذخیره می­کند مدل می­شوند. مولفه­های گرداننده از قبیل شفت­ها یا تسمه­ها، انرژی جنبشی کمی را به علت کم بودن اینرسی­شان ذخیره می­کنند و در نتیجه مدل فنر با پارامترهای متمرکز می­تواند یک مدل مناسب برای آن­ها باشد. عضوها معمولاً تحت پیچش، خمش و فشار قرار دارند. پیچش عضوها انرژی پتانسیل را در آن­ها ذخیره می­کند ولی انرژی جنبشی کمی را به دلیل ممان اینرسی جرمی کم حول محور طولی دارد و بنابراین بهترین گزینه برای آن یک فنر بدون جرم است. نیروی فشاری به دلیل سختی فشاری بالای جسم، انرژی پتانسیل کمی را ذخیره می­کند و دینامیک آن حول این محور معمولاً به وسیله تغییر شکل­شان ذخیره می­کنند همان­طور که انرژی جنبشی را به وسیله نرخ تغییرشکل­شان ذخیره کرده و یک مدل خوب بایستی این واقعیت را در بر بگیرد. برای در نظر گرفتن خمش می­توان از معادلات اولر- برنولی که از اثرات اینرسی چرخش و برش صرف­نظر می­کند استفاده نمود. این دو اثر نیز می­توانند با فرض تیر تیموشینکو در مواردی که طول تیر نسبت به قطرش زیاد نیست، در نظر گرفته شوند. اما از آنجا که معمولا چنین مواردی در سیستم­های دینامیکی کمتر دیده می­شود، اغلب برای جزء انعطاف­پذیر، تیر اولر- برنولی مورد استفاده قرار می­گیرد. دینامیک سیستم­های چندجسمی با اجزاء انعطاف­پذیر به وسیله معادلات مشتق جزئی بیان می­شود و این معادلات به راحتی نمی­توانند در آنالیز سیستم و طراحی کنترلر مورد استفاده قرار بگیرند]18[.در سال­های اخیر، تلاش­های قابل توجهی به مدل­سازی، طراحی و کنترل سیستم­های دینامیکی انعطاف­پذیر جلب شده است. تعداد نشریات مربوط به این موضوع به طور پیوسته افزایش یافته است.در دینامیک اجسام چند جسمی، یک دستگاه اینرسی به عنوان دستگاه مرجع کلی برای تشریح حرکت یک سیستم چندجسمی به کار می­رود. همچنین یک دستگاه واسطه که به هر یک از اجزاء انعطاف­پذیر متصل است که جابه­جایی­ها و چرخش نسبی جسم را تعقیب می­کند. حرکت نسبت به این دستگاه واسطه نوعاً فقط به دلیل تغییر شکل جسم می­باشد. این انتخاب محاسبات نیروهای داخلی را ساده می­سازد، چرا که اندازه تنش­ها و کرنش­ها تحت حرکت جسم صلب تغییر نمی­کنند. همانند تانسور تنش کوشی و تانسور کرنش کوچک که می­تواند برای محاسبه نیروها نسبت به دستگاه واسطه مورد استفاده قرار بگیرد. این تانسورها منجر به یک نیروی خطی در این جابجایی نسبی می­شوند. نوع عمده از دستگاه واسطه که مورد استفاده قرار می­گیرند دستگاه شناور خوانده می­شوند. دستگاه شناور، حرکت جسم اصلی از ذره یا مولفه انعطاف­پذیر داخلی را تعقیب می­کند. استفاده از دستگاه شناور از تحقیقات بر روی دینامیک چندجسمی صلب در اواخر دهه 1960 مطرح شد. این روش برای توسعه برنامه­های دینامیک چندجسمی صلب به دینامیک چندجسمی انعطاف­پذیر به کار گرفته شد. کاربردهای اولیه از دستگاه شناور شامل تیرهای انعطاف­پذیر چرخشی مخصوصاً در کاربردهای سازه­های فضایی و بازوها و صفحات انعطاف­پذیر می­باشد. دستگاه شناور در بسط و توسعه تحلیل مودال و تکنیک­های شناسایی مودال به صورت تجربی برای سیستم­های چندجسمی انعطاف­پذیر نیز به کار رفته است. این امر با شناسایی مودها و فرکانس­ هر یک از اجزاء انعطاف­پذیر به صورت عددی یا تجربی انجام شده است]18[.

2- مدل سازی دینامیکی……………………………………………………………..  12

2-1- مدل سازی سیستم های چند جسمی با اجزاء صلب- انعطاف پذیر …….. 15

2-1-1 دیدگاه انباشتگی………………………………………………………………  15

2-1-2- مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر…………………………………..  18

2-2- معادلات لاگرانژ در حالت شبه مختصات ……………………………………  23

2-2-1- انگیزه روش شبه مختصات ………………………………………………..  23

2-3- مدل سازی دینامیکی ماهواره با صفحات انعطاف پذیر……………………  26

2-3-1- مدل تحلیلی ………………………………………………………………. 26

2-3-2- مدل در نرم افزار ADAMAS ا……………………………………………. 41

فصل سوم کنترل ارتعاشات 

یکی از استراتژی­های کاربردی برای کنترل اجسام چند جسمی که شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر هستند این است که با تعریف یک مدل مرجع، رفتار جسم مورد نظر را همانند مدل مرجع تعریف شده درآوریم. بهترین مدل مرجع در این موارد، اجسامی هستند که تمامی اجزاء آن شامل صلب و انعطاف­پذیر، همگی صلب فرض شوند. به عنوان نمونه در این پژوهش مدل مرجع، یک ماهواره با صفحات صلب در نظر گرفته شده است. قدم بعدی طراحی یک کنترلر برای ردگیری ورودی مورد نظر برای مدل مرجع مذکور می­باشد. این کنترلر باید مدل ماهواره با صفحات صلب را به خوبی کنترل کند ولی هیچ لزومی وجود ندارد که بتواند مدل ماهواره با صفحات انعطاف­پذیر را نیز به خوبی کنترل کند. در این پژوهش برای این که نشان داده شود استراتژی کنترلی بسیار کارا است از یک کنترلر ساده (PD) استفاده شده است. کنترلر PD مدل مرجع مورد نظر را به خوبی می­تواند کنترل کند ولی برای مدل ماهواره با صفحات انعطاف­پذیر بر روی خروجی­های مورد نظر شاهد نوسان خواهیم بود. دلیل وجود این نوسان جزء انعطاف­پذیر یعنی صفحات خورشید است پس باید نوسان­هایی که در خروجی مشاهده می­شوند همگی دارای فرکانس صفحات خورشیدی باشند. این فرکانس را می­توان به وسیله یک فیلتر در فیدبک حذف کرد. بهترین فیلتر موجود برای حذف یک فرکانس مشخص، فیلتر باریک[1] است. این فیلتر قادر است که از عبور هر فرکانسی که به آن داده شود جلوگیری کند. فیلتر باریک در سال 1984 توسط Kung و Rao ابداء شد. اگر رابطه بین صفرها و قطب­ها را به صورت زیر در نظر بگیریم:

3- کنترل ارتعاشات  …………………………………………………………….. 48

3-2- کنترل تطبیقی  …………………………………………………………… 50

3-2-1- سیستم های تطبیقی مدل- مرجع …………………………………. 53

3-3- روش های شناسایی فرکانس خمشی ………………………………  55

3-3-1- روش مدل مرجع بر مبنای گرادیان ………………………………….. 55

3-3-2- روش کمترین مربعات بازگشتی برای شناسایی فرکانس   ……… 57

3-3-3- الگوریتم ترکیبی مدل مرجع و بازگشتی……………………………  57

3-4- کنترل ارتعاشات به وسیله شناسایی فرکانس …………………….   59

فصل چهارم پیشرانش فضایی

پیشرانش فضاپیماها می­توانند بر طبق منبع انرژی که برای خروجی پیشرانش از آن استفاده می­نمایند دسته بندی شوند:پیشرانش شیمیایی، از انرژی گرمایی تولید شده توسط واکنش شیمیایی جهت تولید گازهای دما و فشار بالا در محفظه احتراق استفاده می­نمایند. این گازهای داغ در نازل شتاب داده شده و با یک سرعت بالایی از نازل خارج می­شوند و تراست مورد نیاز را فراهم می­آورند.پیشرانش الکتریکی از انرژی الکتریکی یا الکترومغناطیسی برای بیرون فرستادن ماده در سرعت بالا، جهت تامین نیروی تراست، استفاده می­نمایند.پیشرانش هسته­ای، از انرژی ناشی از راکتور اتمی جهت گرمایش گازها که در میان نازل با سرعت بالایی خارج می­شوند تا نیروی تراست مورد نیاز را فراهم آورند، استفاده می­نماید. باید توجه داشت که سیستم­های الکتریکی و شیمیایی برای پیشرانش فضاپیماهای فعلی مورد استفاده قرار می­گیرند، سیستم پیشرانش هسته­ای هنوز در دست مطالعه می­باشند.

4- پیشرانش فضایی………………………………………………………..  62

4-1- دسته بندی سیستم های پیشرانش …………………………….   62

4-1-1- پیشرانش شیمیایی……………………………………………….  62

4-1-2- سیستم های پیشرانش مایع تک مولفه ای ……………………  64

4-1-3- سیستم های پیشرانش مایع دو مولفه ای  …………………… 65

4-1-4- سیستم های سوخت جامد…………………………………….  66

4-2- مقایسه گزینه های موجود برای سیستم پیشرانش ماهواره ها. 66

4-1- پیکربندی تراسترها………………………………………………… 71

فصل پنجم نتایج شبیه سازی 

5- نتایج شبیه سازی …………………………………………………….. 73

5-1- مشخصات پارامترهای مدل ………………………………………… 73

5-2- مدل سازی دینامیکی……………………………………………..   73

5-3- کنترل ارتعاشات …………………………………………………..  75

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات 

6- نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………   89

6-1- نتیجه گیری……………………………………………………………..   89

6-2- پیشنهادات……………………………………………………………….   91

7- ضمیمه ………………………………………………………………………. 93

7-1- دینامیک تحلیلی  ……………………………………………………….. 93

7-1-1- مقدمه………………………………………………………………..  93

7-2- قابلیتهای دینامیک تحلیلی………………………………………….   93

7-3- تعریف مجموعه کامل………………………………………………..   94

7-4- تعریف مجموعه مستقل ………………………………………………  94

Abstract

In this thesis, Flexible solar panels of a satellite during a maneuver get stimulated and vibrate. Such vibrations will cause some oscillatory disturbance forces that affect the satellite rigid body. Vibrations cause cracks in flexible solar panels and these cracks, because of fatigue, make panels fracture; moreover satellite rigid body which does accurate works like capturing picture of earth surface or sending information to earth base, will be disturbed. Therefore it needs to be prevented. In this paper, dynamics equations of a satellite including cubical rigid body are extracted, then with combination of ANSYS and ADAMS softwares, the model was simulated and conclusions have been compared with analytical model. New control strategy for reducing vibrations in flexible bodies in multibody systems, includes rigid and flexible bodies, is proposed. With eliminate oscillation from rigid body angular velocity, vibrations amplitude of flexible parts will be reduced. For this purpose, an adaptive control system and a notch filter is used to eliminate that oscillation in measurement procedure which is caused by the vibration of flexible solar panels. At last, adaptive control system simulation conclusions once with considering resonanse and once again without considering resonance, is shown and merits of this method is evaluated.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان