Sistema de control adaptativo y robusto no lineal multivariable tolerante a fallas basado en observador de perturbaciones para el seguimiento de actitud de vehículos espaciales de lanzamiento orbital con rendimiento transitorio garantizado y restricciones de saturación

Abstract

El trabajo desarrollado y presentado en esta tesis se centra en el análisis del problema de investigación del control de seguimiento de la actitud de las fases de vuelo de ascenso/reentrada con prestaciones designadas y predefinidas garantizadas para un vehículo aeroespacial de lanzamiento de carga pesada y reutilizable (RHLV) de despegue vertical y aterrizaje vertical (VTVL) sujeto a incertidumbres del sistema, perturbaciones externas, fallas del actuador, defectuoso funcionamiento del giroscopio, rendimiento transitorio efectivo y restricciones de saturación. En primer lugar, el modelo de la dinámica del error de seguimiento de actitud se desarrolla utilizando un modelo de referencia de segundo orden que puede garantizar el sobreimpulso esperado y el error en estado estable. Posteriormente, se propone una novedosa función de rendimiento prescrita (PPF) con un tiempo de convergencia predefinido y se desarrolla un método de transformación de errores con función tangente. Además, al utilizar esta estructura PPF, se propone un modelo de dinámica de error de seguimiento de actitud de desempeño predefinido. Basado en la teoría de estabilidad de tiempo designado y predefinido, se presenta un sistema de control compuesto que incluye un observador de estado extendido de tiempo predefinido de alto orden (HO-PTESO), un compensador anti-saturación de tiempo predefinido (PTASC) y un controlador adaptativo tolerante a fallos en modo deslizante de tiempo designado y predefinido para garantizar que el error de actitud converja en el tiempo designado con el seguimiento deseado del rendimiento prescrito donde el tiempo de convergencia del modelo se puede establecer con un parámetro de control previo. El HO-PTESO logra reconstruir y estimar con precisión la perturbación compuesta en un intervalo de tiempo predefinido por un solo parámetro de diseño, lo que resulta en un proceso de ajuste de parámetros simple y débilmente conservador para las demandas temporales. El PTASC mitiga los impactos de saturación, afecta trivialmente a un sistema no saturado y sirve para garantizar la estabilidad del sistema saturado. Las variables auxiliares del PTASC permanecen limitadas durante el proceso de saturación y desaparecen dentro del intervalo de tiempo predefinido después de que finaliza el proceso de saturación, evitando impactos a largo plazo en el seguimiento de actitudes que son preocupaciones comunes para los ASC existentes. Utilizando la perturbación estimada, el FO-PPTSMC aplica estados no saturados del sistema a un conjunto residual predefinido del origen de una manera atenuada por las vibraciones dentro del intervalo de tiempo predefinido. Solo dos parámetros de control predefinen respectivamente el rango y el tiempo de convergencia, lo que resulta en un procedimiento de síntesis considerablemente simplificado. La estabilidad del controlador compuesto basado en observador y compensador se comprueba mediante el método de Lyapunov. En última instancia, las simulaciones numéricas del sistema doble integrador y el modelo VTVL-RHLV validan la eficiencia del sistema de control propuesto de alta precisión con menos consumo de energía y robustez garantizado.