Simulation and Implementation of Fault Tolerant Controllers for Attitude Control System of Spacecraft Test Bench

Abstract

ABSTRACT : The challenging and unpredictable conditions of space present various obstacles to spacecraft operations. To overcome these challenges, spacecraft require resilient systems that can withstand faults and failures. This is where the crucial role of fault-tolerant controllers comes into play, which are developed and implemented to mitigate failures and ensure the continued functionality of spacecraft. This thesis presents the design, validation, and comparison of a fault-tolerant controller applied into spacecraft attitude control system (ACS) by spacecraft test bench implementation. The design process of each controller starts with a literature review, which gives the basis of fault-controller methodologies, and also provides updated information of current used technologies for spacecraft ACSs and test benches. The validation and comparison processes are performed facing two architectures of NLDI controller with the proposed Fuzzy Logic Controller (FLC), in order to evaluate its performance and feasibility of its application in the aerospace industry. Simulation and implementation data are compared using Bland-Altman plot in order to assess the agreement between each set of data, getting a more accurate simulation model for spacecraft attitude controllers design before moving into implementation. Several failure scenarios are conducted to analyze the performance and robustness of each attitude controller. FLC performance shows to be on a par with NLDI controllers, being better in some cases for both nominal and failure scenarios. This demonstrates the capacities that a FLC can have despite that its nature is highly human logic dependent.

RESUMEN : Las difíciles e impredecibles condiciones del espacio plantean diversos obstáculos a las operaciones de las naves espaciales. Para superarlos, las naves espaciales necesitan sistemas resistentes que puedan soportar fallos y averías. Aquí es donde entra en juego el papel crucial de los controladores tolerantes a fallos, que se desarrollan e implementan para mitigar los fallos y garantizar la funcionalidad continuada de las naves espaciales. Esta tesis presenta el diseño, validación y comparación de un controlador tolerante a fallos aplicado al sistema de control de actitud (ACS) de una nave espacial mediante su implementación en un banco de pruebas. El proceso de diseño de cada controlador comienza con una revisión de la literatura, que proporciona la base de las metodologías de control de fallos, y también proporciona información actualizada de las tecnologías utilizadas actualmente para ACSs de naves espaciales y bancos de pruebas. Los procesos de validación y comparación se realizan enfrentando dos arquitecturas de controlador NLDI con el controlador de lógica difusa (FLC) propuesto, con el fin de evaluar su rendimiento y la viabilidad de su aplicación en la industria aeroespacial. Los datos de simulación y de implementación se comparan mediante el diagrama de Bland-Altman con el fin de evaluar la concordancia entre cada conjunto de datos, obteniendo un modelo de simulación más preciso para el diseño de controladores de actitud de naves espaciales antes de pasar a su implementación. Se llevan a cabo varios escenarios de fallo para analizar el rendimiento y la robustez de cada controlador de actitud. El rendimiento del FLC muestra estar a la par con los controladores NLDI, siendo mejor en algunos casos tanto para escenarios nominales como de fallo. Esto demuestra las capacidades que puede tener un FLC a pesar de que su naturaleza es altamente dependiente de la lógica humana.