Integrated Control/Structure Design of a Flexible Satellite Using Structured Robust Control Synthesis

Dans cette étude de thèse, le problème du co-design mécanique/contrôle d’attitude avec méthodesde la commande robuste structurée est considéré. Le problème est abordé en développant une techniquepour la modélisation de systèmes flexibles multi-corps, appelé modèle Two-Input Two-Output Port (TITOP).En utilisant des modèles d’éléments finis comme données d’entrée, ce cadre général permet de déterminer, souscertaines hypothèses, un modèle linéaire d’un système de corps flexibles enchaînés. De plus, cette modélisationTITOP permet de considérer des variations paramétriques dans le système, une caractéristique nécessaire pourréaliser des études de co-design contrôle/structure. La technique de modélisation TITOP est aussi étenduepour la prise en compte des actionneurs piézoélectriques et des joints pivots qui peuvent apparaître dans lessous-structures. Différentes stratégies de contrôle des modes rigides et flexibles sont étudiées avec les modèles obtenus afin de trouver la meilleure architecture de contrôle pour la réjection des perturbations basse fréquence etl’amortissement des vibrations. En exploitant les propriétés d’outils de synthèse H1 structurée, la mise enoeuvre d’un schéma de co-design est expliquée, en considérant les spécifications du système (bande passantedu système et amortissement des modes) sous forme de contraintes H1. L’étude d’un tel co-design contrôled’attitude/mécanique d’un satellite flexible est illustré en utilisant toutes les techniques développées, optimisantsimultanément une loi de contrôle optimisée et certains paramètres structuraux.In this PhD thesis, the integrated control/structure design of a large flexible spacecraft isaddressed using structured H1 synthesis. The problem is endeavored by developing a modeling technique forflexible multibody systems, called the Two Input Two Output Port (TITOP) model. This general frameworkallows the assembly of a flexible multibody system in chain-like or star-like structure, using finite elementmodels as input data. Additionally, the TITOP modeling technique allows the consideration of parametricvariations inside the system, a necessary characteristic in order to perform integrated control/structure design. In contrast to another widely used method, the assumed modes method, the TITOP modelling technique is robust against changes in the boundary conditions which link the flexible bodies. Furthermore, the TITOP modeling technique can be used as an accurate approximation even when kinematic nonlinearities can be large. The TITOP modeling technique is extended to the modeling of piezoelectric actuators and sensors for the control of flexible structures and revolute joints. Different control strategies, either for controlling rigid body and flexible body motion, are tested with the developed models for obtaining the best controller’s architecture in terms of perturbation rejection and vibration damping. The implementation of the integrated control/structure design in the structured H1 scheme is developed considering the different system’s specifications, such as system’s bandwidth or modes damping, in the form of H1 weighting functions. The integrated attitude control/structure design of a flexiblesatellite is performed using all the developed techniques and the optimization of the control law and severalstructural parameters is achieved