[논문 리뷰] Development of a General Momentum Exchange Devices Fault Model for Spacecraft Fault-Tolerant Control System Design

Chengfei Yue, Qiang Shen외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Magnetic Bearings and Levitation Dynamics참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 반동 휠과 싱글 지지대 제어 모멘텀 제로(스지지제로)를 포함한 모멘텀 교환 장치(MEDs)를 캐스케이드 전기모터(EM)-변속도드라이브(VSD) 시스템으로 모델링하여 일반적인 고장 모델을 제안한다. 이 모델은 고장을 덧셈형과 곱셈형으로 분류하여 다양한 고장 시나리오의 시뮬레이션을 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과는 덧셈형 고장이 곱셈형 고장보다 제어 정밀도를 더 심각하게 떨어뜨리는 것으로 나타났다. 또한 이 모델은 SGCMG 지지대 고장에 대해 수동(덧셈 등가) 및 능동(곱셈 효과성 추정) 고장내성 제어 전략을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 문헌에서 부족한 종합적인 고장 모델의 부재를 해결하기 위해 반동 휠과 CMG를 포함한 모멘텀 교환 장치(MEDs)를 위한 통합 고장 모델링 프레임워크를 개발하는 것.
• EM-VSD 시스템 구성 요소의 물리적 기원에 기반하여 MEDs의 고장이 왜 덧셈형 또는 곱셈형으로 분류될 수 있는지 명확히 하는 것.
• 반동 휠에서 더 복잡한 MEDs인 싱글 지지대 제어 모멘텀 제로(SGCMGs)로 고장 모델을 확장하여 고장 시뮬레이션 및 제어 응답 분석을 가능하게 하는 것.
• 다양한 고장 유형이 우주선 자세 제어 성능에 미치는 영향, 특히 제어 정밀도 저하에 초점을 맞춰 그 영향을 입증하는 것.
• 제안된 고장 모델이 SGCMG 지지대 고장에 대해 수동 및 능동 고장내성 제어(FTC) 전략에 어떻게 통합될 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• 각 제어 자유도를 독립적인 EM-VSD 루프로 간주하여 MEDs를 전기모터(EM)와 변속도드라이브(VSD) 시스템의 캐스케이드로 모델링하는 것.
• 시스템 동역학에 미치는 영향에 기반하여 잠재적 고장을 곱셈형(예: EM의 정자, 로터, 베어링, 기어 고장)과 덧셈형(예: VSD의 센서 및 액추에이터 고장)으로 분류하는 것.
• EM과 VSD 고장의 토크 생성에 대한 병합 효과를 표현하기 위해 캐스케이드 곱셈형 구조를 갖는 일반 고장 모델을 구성하는 것.
• 제어 성능 저하를 다양한 고장 유형 하에서 분석하기 위해 6종의 별도 작업 조건을 사용해 고장 시나리오를 시뮬레이션하는 것.
• 수동 및 능동 FTC 전략을 구현: 수동은 덧셈 등가 편향 추정(로컬 추정기)을 통해, 능동은 곱셈 효과성 행렬 추정 및 재구성 가능한 조향 법칙을 통해.
• 내부 토크 모델 τ = −h₀Aḋ − ω×H 를 사용하여 우주선 동역학과 액추에이터 동역학을 분리함으로써, 액추에이터 유형과 무관하게 고장내성 제어 설계를 가능하게 하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 모멘텀 교환 장치의 고장은 덧셈형 또는 곱셈형으로 모델링할 수 있으며, 각 유형의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ2 다른 고장 유형(덧셈형 대비 곱셈형)은 반동 휠과 SGCMG를 사용한 우주선 자세 제어 시스템의 제어 정밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 EM-VSD 아키텍처에 기반하여 다양한 MED 유형(반동 휠 및 SGCMGs 포함)에 적용 가능한 일반 고장 모델을 개발할 수 있는가?
• RQ4 고장내성 제어 시스템 설계 측면에서 덧셈형 고장과 곱셈형 고장의 실용적 함의는 무엇인가?
• RQ5 제안된 고장 모델은 SGCMG 지지대 고장에 대해 수동 및 능동 고장내성 제어 전략에 어떻게 효과적으로 통합될 수 있는가?

주요 결과

• VSD 시스템의 센서나 액추에이터 오류와 같은 덧셈형 고장은 반동 휠이나 베어링 고장과 같은 곱셈형 고장보다 제어 정밀도에 더 심각한 영향을 미친다.
• 일반 고장 모델은 MEDs를 캐스케이드 EM-VSD 시스템으로 모델링하여 다양한 액추에이터 유형 간 일관된 고장 시뮬레이션을 가능하게 하여 다양한 MEDs의 동역학을 성공적으로 포괄한다.
• 시뮬레이션 결과는 고장 모델이 반동 휠과 SGCMG 양쪽 모두에서 고장 시나리오를 효과적으로 표현하며, 제어 성능 저하 패턴의 명확한 차이를 보여준다.
• 제안된 고장 모델은 수동(덧셈 편향 추정) 및 능동(곱셈 효과성 행렬 추정) 고장내성 제어 전략 양쪽을 지원한다.
• 다양한 고장 조건 하에서 우주선 자세 제어를 시뮬레이션한 결과, 고장 모델의 유효성이 검증되었으며, 이는 FTC 시스템 설계에 실용적 유용성을 확인한다.
• 본 연구는 향후 SGCMG 지지대 고장 보완을 위한 로컬 추정기 설계 및 효과성 행렬 추정에 대한 기초를 제공한다.