فهرست مطالبفصل اول مقدمه11- مقدمه21-1- تاریخچه موضوع4فصل دوم مدل سازی دینامیکی112- مدل سازی دینامیکی122-1- مدل سازی سیستم های چند جسمی با اجزاء صلب- انعطاف پذیر152-1-1 دیدگاه انباشتگی152-1-2- مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر182-2- معادلات لاگرانژ در حالت شبه مختصات232-2-1- انگیزه روش شبه مختصات232-3- مدل سازی دینامیکی ماهواره با صفحات انعطاف پذیر262-3-1- مدل تحلیلی262-3-2- مدل در نرم افزار ADAMAS41فصل سوم کنترل ارتعاشات463- کنترل ارتعاشات473-2- کنترل تطبیقی493-2-1- سیستم های تطبیقی مدل- مرجع523-3- روش های شناسایی فرکانس خمشی543-3-1- روش مدل مرجع بر مبنای گرادیان543-3-2- روش کمترین مربعات بازگشتی برای شناسایی فرکانس563-3-3- الگوریتم ترکیبی مدل مرجع و بازگشتی563-4- کنترل ارتعاشات به وسیله شناسایی فرکانس58فصل چهارم پیشرانش فضایی604- پیشرانش فضایی614-1- دسته بندی سیستم های پیشرانش614-1-1- پیشرانش شیمیایی614-1-2- سیستم های پیشرانش مایع تک مولفه ای634-1-3- سیستم های پیشرانش مایع دو مولفه ای644-1-4- سیستم های سوخت جامد654-2- مقایسه گزینه های موجود برای سیستم پیشرانش ماهواره ها654-1- پیکربندی تراسترها70فصل پنجم نتایج شبیه سازی725- نتایج شبیه سازی735-1- مشخصات پارامترهای مدل735-2- مدل سازی دینامیکی735-3- کنترل ارتعاشات75فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات886- نتیجه گیری و پیشنهادات896-1- نتیجه گیری896-2- پیشنهادات917- ضمیمه937-1- دینامیک تحلیلی937-1-1- مقدمه937-2- قابلیتهای دینامیک تحلیلی937-3- تعریف مجموعه کامل947-4- تعریف مجموعه مستقل947-5- تعریف درجه آزادی947-6- قیود957-6-1- فرم دیفرانسیلی در حالت کلی957-7- تعریف تغییرات در حساب تغییرات957-8- نیروهای پایستار977-9- معادلات لاگرانژ برای سیستم های مقید987-10- استخراج معادلات جسم صلب با استفاده از روش لاگرانژ997-11- روش همیلتون997-12- معادلات همیلتون1008- فهرست مراجع103 فهرست جداولجدول 2‑1نیروی آیرودینامیکی برخی از اشکال هندسی ساده36جدول 2‑2نیروی تشعشع خورشیدی برخی از اشکال هندسی ساده40جدول 4‑1مزایا و معایب سیستمهای پیشرانش شیمیایی و الکتریکی65جدول 5‑1مشخصات پارامترهای بدنه صلب ماهواره73جدول 5‑2مشخصات پارامترهای صفحات خورشیدی73 فهرست شکلهاشکل 2‑1نحوه تعریف بردارهای جابجایی در اجسام انعطاف پذیر14شکل 2‑2بلوک دیاگرام روش مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر22شکل 2‑3مدل ساده ماهواره به همراه دستگاه بدنی26شکل 2‑4نیروی گرانشی اعمالی بر المان جرمی32شکل 2‑5برخورد فوتون های نور با سطح ماهواره38شکل 2‑6نیروی حاصل از تشعشع خورشید بر سطح ماهواره38شکل 2‑7مدل ماهواره با صفحات الاستیک در نرم افزار ADAMS42شکل 2‑8صفحه مش بندی شده43شکل 2‑9تغییر شکل صفحه در مود خمشی44شکل 2‑10مدل ماهواره در نرم افزار ADAMS45شکل 3‑1نمودار بود یک فیلتر باریک48شکل 3‑2نمایی از سیستم کنترلی49شکل 3‑3 نمودار بلوکی سیستم تطبیقی مدل- مرجع53شکل3‑4 نمایی از سیستم کنترل تطبیقی مدل مرجع59شکل 4‑1پالس مدولاتور PR68شکل 4‑2پالس مدولاتور PWPF68شکل 4‑3نمایش مکان تراسترها بر روی ماهواره71شکل5‑1 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS74شکل5‑2مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS74شکل5‑3 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن75شکل 5‑4مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن76شکل5‑5 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید77شکل5‑6مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید77شکل5‑7 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر78شکل5‑8سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک78شکل5‑9 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن79شکل 5‑10مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن80شکل 5‑11 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر در حالت تشدید81شکل5‑12مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید81شکل 5‑13مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید82شکل5‑14 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره83شکل 5‑15گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره83شکل5‑16 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر84شکل5‑17 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر84شکل5‑18 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره85شکل5‑19گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره85شکل5‑20 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر با عملگر تراستر86شکل5‑21مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر86شکل5‑22مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر87 فهرست علايم و نشانه‌ها عنوانعلامت اختصاریانرژی میرایی صفحات(J)مدول الاستیسیته()ممان اینرسی ()ضخامت صفحات(m)انرژی جنبشی ماهواره(J)گشتاور وارده از محیط(N.m)گشتاور کنترلی (N.m)انرژی پتانسیل ناشی از خاصیت ارتجایی صفحات(J)جابجایی الاستیک صفحات(m)مختصات تعمیم یافته مربوط به نوسان صفحات(m)زاویه یاو(rad)ضریب فراموشی الگوریتم شناسایی فرکانسضریب پواسونضریب دمپینگ صفحهچگالی صفحه()زاویه رول(rad)شکل مود ارتعاشی صفحاتزاویه پیچ(rad)سرعت زاویهای بدنه (rad/s)ماتریس پادمتقارن سرعت زاویهایفرکانس طبیعی صفحات ()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 شاملاجزا 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 اجسامچندجسمی 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.