نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

طراحی کنترل مقاوم وضعیت ماهواره سه‌درجه‌آزادی با تلفیق الگوریتم فوق‌پیچشی و یادگیری تقویتی عمیق و تنظیم فراپارامترها با طرح‌ریزی آزمایش تاگوچی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
2 گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
10.22060/mej.2026.25631.7958
چکیده
در این پژوهش، یک چارچوب کنترلی ترکیبی برای کنترل وضعیت ماهواره سه‌درجه‌آزادی در حضور نامعینی‌های پارامتری، اغتشاش‌های خارجی، محدودیت‌های عملگر و خطاهای اجرایی ارائه می‌شود. هسته‌ی مقاوم سامانه بر پایه الگوریتم فوق‌پیچشی طراحی شده است تا ضمن حفظ پایداری و روباستی، پدیده چترینگ کاهش یابد. به‌منظور بهبود دقت رهگیری و افزایش قابلیت سازگاری در مواجهه با غیرخطی‌بودن و عدم‌قطعیت‌های پیش‌بینی‌ناپذیر، از یادگیری تقویتی عمیق به‌عنوان یک مؤلفه اصلاحی تطبیقی در کنار کنترل‌کننده مقاوم استفاده شده است. در این راستا، سه الگوریتم شاخص شامل گرادیان سیاست تعیینی عمیق، گرادیان سیاست تعیینی عمیق تأخیردار دوقلو و بهینه‌سازی سیاست مجاورتی مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفته‌اند. همچنین، برای کاهش هزینه محاسباتی تنظیم فراپارامترها و ایجاد یک رویه نظام‌مند و تکرارپذیر، از روش طرح‌ریزی آزمایش تاگوچی جهت بهینه‌سازی چندهدفه فراپارامترهای یادگیری تقویتی عمیق بهره گرفته شده است. معیار ارزیابی عملکرد شامل ترکیبی از دقت رهگیری زمان‌وزن‌شده و میزان تلاش کنترلی در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی و پیاده‌سازی آزمایشگاهی روی شبیه‌ساز وضعیت ماهواره نشان می‌دهد ساختار ترکیبی پیشنهادی، در مقایسه با کنترل مقاوم پایه، می‌تواند زمان نشست و تلاش کنترلی را کاهش داده و استحکام در برابر اغتشاشات را بهبود دهد، در حالی که پایداری و دقت رهگیری حفظ می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Robust Attitude Control of a Three-Degree-of-Freedom Satellite via Integration of the Super-Twisting Algorithm and Deep Reinforcement Learning with Hyperparameter Tuning Using Taguchi Design of Experiments

نویسندگان English

Mostafa Sarjoughian 1
Hojat Taei 2
1 Department of Aerospace Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده English

This study presents a hybrid control framework for the attitude regulation of a three-degree-of-freedom satellite subject to parametric uncertainties, external disturbances, actuator constraints, and implementation imperfections. The core robust controller is formulated using the Super-Twisting Algorithm, which guarantees finite-time convergence and robustness while effectively suppressing the high-frequency chattering typically associated with conventional sliding mode control. To enhance tracking precision and improve adaptability under nonlinear and uncertain conditions, deep reinforcement learning is incorporated as an adaptive compensator within the control loop. Three representative algorithms, namely Deep Deterministic Policy Gradient, Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient, and Proximal Policy Optimization, are investigated and comparatively evaluated in terms of stability, convergence behavior, and control efficiency. To systematically tune the learning hyperparameters and reduce the computational burden associated with manual trial-and-error procedures, the Taguchi design of experiments method is employed to perform multi-objective optimization considering both tracking performance and control effort. The performance index is defined as a composite measure that combines time-weighted tracking error and control energy. Numerical simulations together with experimental validation on a satellite attitude simulator demonstrate that the proposed hybrid control architecture reduces settling time and control effort while improving disturbance rejection capability, without compromising stability or steady-state tracking accuracy.

کلیدواژه‌ها English

Satellite Attitude Control
Super-Twisting Algorithm
Deep Reinforcement Learning
Taguchi Design of Experiments

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 خرداد 1405