Internal fluid sloshing coupling with spacecraft attitude dynamics and control

With an emphasis on the creation and comparative analysis of four control techniques, this thesis explores the dynamic interplay between internal fluid sloshing and spacecraft attitude control. Time-varying mass characteristics and disturbance torques brought on by sloshing provide unique challenges for spacecraft using liquid propellant, which can have a substantial impact on stability and pointing accuracy. In order to overcome these difficulties, a pendulum-based approximation of sloshing dynamics is combined with a thorough mathematical model of spacecraft rigid-body dynamics that uses quaternion representation. The MATLAB/Simulink environment is used to create and implement four different control methodologies: classical proportional-derivative (PD) control, proportional-integral-derivative (PID) control, PD with adaptive pole placement control (APPC), and PD with wave-based control (WBC). A three-axis stabilized spacecraft model under various slosh conditions is used to test each method. Analysis is done on performance metrics like robustness to parameter changes, control effort, steady-state error, and settling time. The outcomes of the simulation show the advantages and drawbacks of each approach in various operational situations. While traditional controllers are straightforward and reliable, more sophisticated methods like as APPC and WBC give better performance when handling coupled slosh-attitude dynamics. The comparison study provides useful information for choosing a control approach in missions that need accurate orientation and effective propellant use. By emphasizing the value of integrated modeling and control design for slosh-affected spacecraft systems, this study advances the field. The results are especially pertinent to missions where precise attitude control is essential, like satellite maintenance, interplanetary transfers, and lunar landings, which involve massive fuel tanks. The created simulation framework is a useful resource for next control system and mission planning projects.

Con un’enfasi sulla creazione e sull’analisi comparativa di quattro tecniche di controllo, questa tesi esplora l’interazione dinamica tra il fenomeno dello sloshing interno dei fluidi e il controllo d’assetto dei veicoli spaziali. Le caratteristiche di massa variabili nel tempo e le coppie di disturbo generate dallo sloshing pongono sfide uniche per i veicoli spaziali che utilizzano propellente liquido, influenzando significativamente la stabilità e la precisione di puntamento. Per affrontare queste difficoltà, viene sviluppato un modello matematico completo della dinamica del corpo rigido del veicolo spaziale utilizzando la rappresentazione quaternionica, integrato con un’approssimazione delle dinamiche di sloshing basata su un modello a pendolo. L’ambiente MATLAB/Simulink viene utilizzato per creare e implementare quattro diverse metodologie di controllo: controllo classico proporzionale-derivativo (PD), controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID), controllo PD con posizionamento adattivo dei poli (APPC) e controllo PD con controllo basato su onde (WBC). Un modello di veicolo spaziale stabilizzato su tre assi, sottoposto a diverse condizioni di moto del fluido (slosh), viene utilizzato per testare ciascun metodo. L’analisi viene effettuata su metriche di prestazione quali la robustezza ai cambiamenti dei parametri, lo sforzo di controllo, l’errore a regime e il tempo di assestamento. I risultati delle simulazioni evidenziano i vantaggi e i limiti di ciascun approccio in diversi scenari operativi. Mentre i controllori tradizionali offrono semplicità e affidabilità, tecniche più avanzate come APPC e WBC garantiscono migliori prestazioni nella gestione delle dinamiche accoppiate tra lo sloshing e l’assetto. L’analisi comparativa fornisce informazioni utili per la selezione della strategia di controllo più adatta in missioni che richiedono un orientamento preciso e un uso efficiente del propellente. Evidenziando il valore della modellazione integrata e della progettazione del controllo per sistemi spaziali influenzati dallo sloshing, questo lavoro contribuisce al progresso della disciplina. I risultati ottenuti sono particolarmente rilevanti per missioni che prevedono l’uso di grandi serbatoi di propellente, come manutenzione satellitare, trasferimenti interplanetari e atterraggi lunari, dove il controllo preciso dell’assetto è fondamentale. Il framework di simulazione sviluppato rappresenta uno strumento utile per la pianificazione delle missioni future e la progettazione dei relativi sistemi di controllo.