Reformulation of non-diagonal multivariable QFT control techniquesapplication to satellites with large flexible structures

Resumen

En los últimos años, los sistemas industriales, y en particular los espaciales, han aumentado considerablemente su complejidad debido a las numerosas restricciones y cambios a los que se ve sometida la industria. En consecuencia, estos procesos se han convertido en una complicada interconexión de múltiples sensores y actuadores.El control de sistemas reales multivariables es todavía uno de los problemas de mayor dificultad en la Ingeniería de Control. Algunas de las características inherentes a este tipo de plantas son el acoplamiento (interacción entre variables manipulables y de control de distintos lazos), la direccionalidad (el sistema responde de forma diferente según la dirección de la señal de entrada), la existencia de ceros de transmisión (no detectables por observación directa de los elementos de la matriz), o el efecto todavía más nocivo de la incertidumbre (siempre presente en aplicaciones reales). Estos factores dificultan el correspondiente análisis de estabilidad y comportamiento robustos, y la extensión al área multivariable de resultados clásicos en el control de sistemas de un solo lazo. En este contexto, la presente tesis introduce el desarrollo teórico y práctico de una nueva metodología de diseño de controladores robustos multivariables para su aplicación fiable en procesos reales con incertidumbre. Para ello, se emplea la teoría de realimentación cuantitativa (Quantitative Feedback Theory, QFT). La técnica secuencial no diagonal desarrollada constituye una extensión de métodos previos de control multivariable QFT. Por un lado, ya no es necesaria la utilización de hipótesis de dominancia diagonal, ampliando así el campo de aplicación. Por otro lado, se puede considerar una mayor variedad de especificaciones: las definidas lazo a lazo, tradicionalmente empleadas en QFT, así como las especificaciones clásicas de comportamiento matricial. Para ilustrar sus posibilidades, la metodología ha sido aplicada a dos sistemas espaciales de gran interés. En primer lugar, se ha controlado la posición y la orientación de un satélite que presenta un gran escudo solar flexible para protección de la carga útil. El ejemplo constituye un excelente banco de ensayos debido a la compleja dinámica del satélite (alto orden y acoplamiento generado por los modos flexibles del escudo), y los exigentes requerimientos en términos de precisión en posición y orientación. Asimismo, existen perturbaciones externas y gran incertidumbre en el modelo. En segundo lugar, el método se ha aplicado al control en posición de un satélite volando en formación respecto al centro de masas de la constelación. Este sistema con incertidumbre presenta dificultades a la hora de reducir el acoplamiento como consecuencia de polos y ceros indeseables en la planta. Ambas aplicaciones muestran la versatilidad y efectividad de la metodología de diseño propuesta.