[論文レビュー] Development of a General Momentum Exchange Devices Fault Model for Spacecraft Fault-Tolerant Control System Design

Chengfei Yue, Qiang Shen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Magnetic Bearings and Levitation Dynamics参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、反応ホイールやシングルギマール制御モーメントジャービー（SGCMG）などのモーメンタム交換装置（MEDs）を、直列に接続された電動モーター（EM）-可変速度ドライブ（VSD）システムとしてモデル化することにより、一般化された故障モデルを提案する。このモデルは故障を加法的および乗法的タイプに分類し、さまざまな故障シナリオのシミュレーションを可能にする。シミュレーション結果から、加法的故障は乗法的故障よりも制御精度の低下を顕著に引き起こすことが示され、SGCMGのジャイロスコープ故障に対して、被動的（加法的等価）および能動的（乗法的効果性推定）な故障耐性制御戦略の両方を支援する。

ABSTRACT

This paper investigates the mechanism of various faults of momentum exchange devices. These devices are modeled as a cascade electric motor EM - variable speed drive VSD system. Considering the mechanical part of the EM and the VSD system, the potential faults are reviewed and summarized. Thus with a clear understanding of these potential faults, a general fault model in a cascade multiplicative structure is established for momentum exchange devices. Based on this general model, various fault scenarios can be simulated, and the possible output can be appropriately visualized. In this paper, six types of working condition are identified and the corresponding fault models are constructed. Using this fault model, the control responses using reaction wheels and single gimbal control moment gyros under various fault conditions are demonstrated. The simulation results show the severities of the faults and demonstrate that the additive fault is more serious than the multiplicative fault from the viewpoint of control accuracy. Finally, existing fault-tolerant control strategies are brief summarized and potential approaches including both passive and active ones to accommodate gimbal fault of single gimbal control moment gyro is demonstrated.

研究の動機と目的

• 反応ホイールやCMGを含むモーメンタム交換装置（MEDs）の統一された故障モデリングフレームワークの構築を目的とし、既存の文献における包括的な故障モデルの不足に応える。
• EM-VSDシステム部品における物理的起源に基づき、MEDsの故障がなぜ加法的または乗法的と分類できるかを明確化すること。
• 反応ホイールからより複雑なMEDs（例：シングルギマール制御モーメントジャービー（SGCMG））への故障モデルの拡張を図り、故障シミュレーションと制御応答解析を可能にする。
• 異なる故障タイプが宇宙機の姿勢制御性能に与える影響、特に制御精度の低下に注目し、その影響を明らかにすること。
• 提案された故障モデルが、SGCMGのジャイロスコープ故障に適した被動的および能動的故障耐性制御（FTC）戦略にどのように統合できるかを示すこと。

提案手法

• 各制御自由度を独立したEM-VSDループとして扱い、MEDsを電動モーター（EM）と可変速度ドライブ（VSD）の直列接続としてモデル化する。
• システムダイナミクスに与える影響に基づき、潜在的な故障を乗法的（例：EMの界磁巻線、ロータ、軸受、ギアの故障）と加法的（例：VSDのセンサおよびアクチュエータの故障）に分類する。
• EMおよびVSDの故障がトルク生成に与える合成効果を表現するため、直列構造の乗法的一般化故障モデルを構築する。
• 制御性能の低下を分析するために、6種類の異なる作動条件を用いて故障シナリオをシミュレートする。
• 被動的および能動的FTC戦略を実装する：被動的制御は加法的等価バイアス推定（局所推定器）を、能動的制御は乗法的効果性行列推定と再構成可能ステアリング則を用いる。
• 内部トルクモデル τ = −h₀Aḋ − ω×H を用いて宇宙機ダイナミクスとアクチュエータダイナミクスを分離し、アクチュエータ種別に依存しない故障耐性制御設計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜモーメンタム交換装置の故障は加法的または乗法的とモデル化できるのか。それぞれのタイプの物理的起源は何か。
• RQ2 加法的故障と乗法的故障の違いが、反応ホイールおよびSGCMGを用いた宇宙機の姿勢制御システムの制御精度にどのように影響するか。
• RQ3 EM-VSDアーキテクチャに基づき、反応ホイールやSGCMGを含むさまざまなMEDタイプに適用可能な一般化された故障モデルを構築できるか。
• RQ4 故障耐性制御システム設計の観点から、加法的故障と乗法的故障の実用的意味は何か。
• RQ5 提案された故障モデルが、SGCMGのジャイロスコープ故障に適した被動的および能動的故障耐性制御戦略にどのように効果的に統合できるか。

主な発見

• VSDシステム内のセンサまたはアクチュエータの誤差といった加法的故障は、ロータや軸受の故障といった乗法的故障よりも制御精度に顕著に深刻な影響を与える。
• 一般化された故障モデルは、MEDsを直列EM-VSDシステムとしてモデル化することで、さまざまなアクチュエータ種別にわたる一貫性のある故障シミュレーションを可能にした。
• シミュレーションにより、故障モデルが反応ホイールおよびSGCMGの両方における故障シナリオを効果的に表現でき、それぞれ異なる制御性能の低下パターンを示していることが確認された。
• 提案された故障モデルは、加法的バイアス推定による被動的および乗法的効果性行列推定による能動的両方の故障耐性制御戦略をサポートする。
• 複数の故障状態下での宇宙機の姿勢制御シミュレーションを通じて、故障モデルの有効性が検証され、FTCシステム設計における実用性が確認された。
• 本研究は、SGCMGのジャイロスコープ故障の緩和に向けた局所推定器設計および効果性行列推定の今後の研究の基盤を提供する。