ناوبری به عنوان یک موضوع کاربردی در عرصه هوافضا از درجه اهمیت زیادی برخوردار است. بطور کلی سیستم ناوبری اینرسی از رایج ترین روش های ناوبری است. اما یکی از اشکالات عمده سیستم ناوبری اینرسی نامحدود بودن خطای آن است که منجر به استفاده از یک سیستم ناوبری غیر اینرسی در کنار سیستم ناوبری اصلی می باشد. این کار با هدف افزایش دقت ناوبری و استفاده از مزیت هر سیستم در رفع عیب سیستم دیگر است چرا که افزایش کارایی هر سیستم ناوبری بصورت منفرد نیازمند هزینه بسیار بالا و فناوری های پیچیده می باشد. در این پایان نامه با توجه به ماموریت و نیازمندی های یک ماهواره بر مشخص، به طراحی یک سیستم ناوبری اینرسی برای آن پرداخته شده است. این سیستم ناوبری اینرسی متشکل از یک واحد اندازه گیری اینرسی می باشد که بمنظور کاهش هزینه و همچنین امکان در دسترس بودن واحد مورد نظر از حسگرهای نسبتاً ارزان و موجود در بازار استفاده شده است که البته باعث افزایش خطا در طول زمان ناوبری می شود. جهت افزایش دقت خروجی های سیستم ناوبری از روش ناوبری gps به عنوان روش کمک ناوبری استفاده شده است. بنابراین برای استفاده از این سیستم نیازمند دانستن موقعیت ماهواره های gps در فضا هستیم که با استفاده از قوانین کپلر و متغیرهای تصحیحی، مدار حرکت آنها در زمانی مشخص شبیه سازی می شود. همچنین فیلتر کالمن جهت تلفیق خروجی های هر دو سیستم ناوبری بکار گرفته شده است. این خروجی شامل موقعیت وسیله بصورت طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع است. در نهایت نتایج شبیه سازی مسیر حرکت ماهواره بر به همراه نتایج شبیه سازی سیستم های ناوبری اینرسی و تعیین موقعیت جهانی و تلفیق این دو سیستم به روش تلفیق توام ضعیف بصورت جداگانه ارائه شده است.

روش های متعددی برای کنترل وضعیت ماهواره وجود دارند؛ که به دو دسته ی روش های فعال و غیرفعال، تقسیم می شوند. در این پایان نامه بر اساس نیازی که برای یک ماهواره ی آزمایشگاهی تعریف شده، تحلیل، طراحی، مدل سازی، ساخت و تست چرخ عکس العملی به عنوان یکی از مهم ترین عملگرهای کنترل فعال ماهواره به انجام رسیده است. در ادامه در این پایان نامه معادلات حرکت خطی ماهواره شامل چرخ عکس العملی و معادلات حالت وضعی، استخراج و شبیه سازی شده است. در این مدل گشتاورهای آیرودینامیکی، مغناطیسی و تشعشعات خورشیدی به عنوان گشتاور اغتشاشی و گشتاور گرادیان جاذبه به عنوان گشتاور پایدارساز (کنترل غیرفعال) در نظر گرفته شده است و کنترل فعال توسط چرخ عکس العملی صورت گرفته است. سپس به منظور بهینه سازی مصرف توان الکتریکی و زمان انجام مانور وضعیت از کنترلر lqr استفاده شده است. پس از انتخاب توابع وزنی مناسب در روش lqr برای ماهواره و عملگر فرضی و با توجه به محدوده ی سرعت چرخ عکس العملی و میزان حداکثر جریان قابل اعمال، تلاش بهینه ای جهت انجام مانور تغییر وضعیت نرمال و سریع ارائه شده است. سپس شبیه ساز ماهواره را به عنوان ماهواره ای در مدار پایین فرض نموده و عملگر چرخ عکس العملی ساخته شده را بر آن در نظر گرفته و کنترل بهینه ی مانور وضعیت آن را شبیه سازی نموده و نمونه ای از یک تلاش بهینه جهت تغییر وضعیت این شبیه ساز در فضا، ارائه شده است. در این مانور، شبیه ساز ماهواره از وضعیت موجود به وضعیتی دلخواه در راستای نیاز عملکردی رانده شده است؛ که در یک تلاش بهینه سعی شده این مانور همراه با کمینه ی درخواست جریان و زمان انجام مانور باشد و نکاتی از این شبیه سازی نیز بیان خواهد شد.

هدف از این پایان نامه مدلسازی و شبیه سازی بالگرد کوچک خود مختار و رساندن بالگرد مدل به فاز پروازی هاور و پایدارسازی بالگرد در این مانور با استفاده از کنترلر بهینه مربعی خطی است. پس از طراحی کنترلر lqr با استفاده از اصل جدایش به طراحی کنترلر lqe خواهیم پرداخت. با توجه به کوپلینگ های موجود بین کانالهای مختلف کنترلی و اغتشاشات وارده، فاز پروازی هاور، از پیچیده ترین فازهای پروازی بالگرد شناخته می شود. به منظور استخراج مدل دینامیکی مطلوب برای طراحی کنترلر، فرضیات ساده کننده ای برای جلوگیری از پیچیدگی بیش از حد و غیر ضروری مدل در نظر گرفته شده است. به دلیل تعدد و نیز پیچیده بودن معادلات برای شبیه سازی از بلوک توابع اس در محیط سیمولینک استفاده شده است. معادلات غیر خطی منتج شده از دینامیک و حرکت بالگرد برای اعمال کنترلر بهینه خطی، خطی سازی شده است. در نهایت تست های مختلفی برای صحت شبیه سازی در فاز هاور و کنترلر طراحی شده انجام شده، تا توانایی کنترلر در پایدار سازی بالگرد در حالت هاور برای سرعت های انتقالی و وضعیت بالگرد بررسی شود. دلیلی که کنترل بهینه خطی(lqr) برای کنترل و پایدار سازی بالگرد در مانور هاور انتخاب شده است مشخصه های مناسب این کنترلر، از جمله محدوده های پایداری خوب و مناسب، تنظیم یا تعقیب، حذف نویز و حساسیت اندک به مدل است.

در این تحقیق کنترل فرایند در ژیروسکوپ های ارتعاشی میکرو الکترو مکانیکی (mems) مورد بررسی قرار گرفته است. ژیروسکوپ مورد بررسی از نوع ارتعاشی حلقوی با پره های اتصال دهنده حلقه به پایه می باشد، که زیر مجموعه ژیروسکوپ های موجی جامد است. جهت مدلسازی المان حساس ژیروسکوپ (پوسته ارتعاشی) از روش لاو استفاده شده و پاسخ آن به کمک نرم افزار matlab استخراج شده است. در ادامه به کمک روش انرژی و استخراج انرژی جنبشی و پتانشیل و کار و اعمال روش لاگرانژ معادلات استخراج شدند. جهت استفاده در طراحی سیستم کنترل تحریک، معادلات خطی سازه شده و کنترل pid از روش های معمول طراحی شده است. با توجه به ملاحظاتی که در مورد کاربرد های عملی وجود دارد، کنترل تطبیقی مورد استفاده قرار گرفته است. جهت مقایسه و یافتن بهترین کنترل، روش های mit و روش تخمین پارامتر های کنترل بررسی شده اند.

فصل یک به معرفی ژیروسکوپ قائم و سیستم های عمود ساز می پردازد . در فصل دو معادلات حاکم بر ژیروسکوپ قائم به دست می آید . فصل سوم به معرفی کنترل کننده ی ترکیبی ?h2/h پرداخته و در فصل چهارم نمودارهای حاصل از کنترل کننده ی pid خطی و کنترل کننده ی ترکیبی ?h2/h به دست آمده و با هم مقایسه می شوند . فصل پنج به نتیجه گیری پرداخته و پیشنهادات ارائه می گردد . با بررسی نمودارهای پاسخ کنترل کننده ها به اغتشاشات با فرکانس اولیه ی 10 هرتز و فرکانس اغتشاشی 200 هرتز و 1000 هرتز، دامنه نوسانی بوده و سیگنال کنترلی در کنترل کننده ی ?h2/h ، تغییرات کمتری نسبت به کنترل کننده ی pid دارد و با توجه به نمودارهای تلاش کنترلی، مشاهده می شود که کنترل کننده ی ?h2/h در برابر این نامعینی ها مقاوم بوده ولی کنترل کننده ی pid خطی تحت تاثیر تغییرات بوده و زمان بیشتری طول خواهد کشید تا بتواند سیستم را کنترل کند.نامعینی ها شامل نامعینی در جرم روتور، اصطکاک دراتصالات گیمبال ها، در تابع تبدیل، در بهره و در موقعیت قطب ها و صفرها می باشد. با توجه به مقایسه ی نتایج به دست آمده در فصل 4، هر چه نقطه ی انتخابی به نقطه ی بهینه ی جبهه ی پرتو نزدیکتر باشد، کارآیی کنترل بیشتر بوده و در نتیجه تلاش کنترلی حاصل نیز به مراتب بسیار بیشتر خواهد بود. به دلیل اینکه این پایان نامه به دنبال یافتن کنترل کننده ای است که به واقعیت نزدیکتر باشد، از نقطه ی دهم جبهه ی پرتو به عنوان نقطه ی بهینه استفاده شده است. با اعمال نامعینی ها به سیستم، کنترل کننده ی ?h2/h در برابر آنها مقاوم بوده که هدف ما را در استفاده از این کنترل کننده برآورده می کند. همانگونه که در این پایان نامه ملاحظه می گردد ، کنترل مقاوم به عنوان یکی از روش های کارا و مهم جهت تضمین پایداری و عملکرد مطلوب سیستم مطرح می گردد که قیود حداقل یابی آن ها از شرایط پایداری داخلی ناشی می شوند.