[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过将动量交换装置（MEDs）建模为级联电动机（EM）-变频驱动（VSD）系统，提出了一种适用于反作用轮和单轴飞轮控制动量陀螺（SGCMGs）的通用故障模型。该模型将故障分为加法型与乘法型两类，可模拟多种故障场景；仿真结果表明，加法型故障对控制精度的损害比乘法型故障更严重，且该模型支持针对SGCMG飞轮故障的被动（加法等效）与主动（乘法有效性估计）故障容错控制策略。

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.

研究动机与目标

• 开发一种统一的动量交换装置（MEDs）故障建模框架，涵盖反作用轮和控制动量陀螺（CMGs），以解决现有文献中缺乏全面故障模型的问题。
• 阐明MEDs中的故障为何可被归类为加法型或乘法型，基于其在EM-VSD系统组件中的物理成因。
• 将故障模型从反作用轮扩展至更复杂的MEDs（如单轴飞轮控制动量陀螺，SGCMGs），以支持故障仿真与控制响应分析。
• 展示不同故障类型对航天器姿态控制性能的影响，尤其关注控制精度的退化情况。
• 展示所提出的故障模型如何集成到SGCMG飞轮故障的被动与主动故障容错控制（FTC）策略中。

提出的方法

• 将MEDs建模为电动机（EM）与变频驱动（VSD）系统的级联系统，将每个控制自由度视为独立的EM-VSD回路。
• 根据其对系统动力学的影响，将潜在故障分类为乘法型（如EM中的定子、转子、轴承、齿轮故障）与加法型（如VSD中的传感器与执行器故障）。
• 构建一种级联乘法结构的通用故障模型，以表征EM与VSD故障对转矩生成的综合影响。
• 通过六种不同的工况设置模拟故障场景，分析各类故障下控制性能的退化情况。
• 实施被动与主动FTC策略：被动方式通过加法等效偏差估计（本地估计器），主动方式通过乘法有效性矩阵估计与可重构转向律实现。
• 利用内部转矩模型 τ = −h₀Aḋ − ω×H 将航天器动力学与执行器动力学解耦，实现与执行器类型无关的故障容错控制设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何MEDs中的故障可被建模为加法型或乘法型？其各类故障的物理成因是什么？
• RQ2 不同故障类型（加法型 vs. 乘法型）如何影响使用反作用轮和SGCMGs的航天器姿态控制系统的控制精度？
• RQ3 能否基于其EM-VSD架构，开发一种适用于不同MED类型（包括反作用轮与SGCMGs）的通用故障模型？
• RQ4 在故障容错控制系统设计方面，加法型与乘法型故障具有哪些实际影响？
• RQ5 如何将所提出的故障模型有效集成到SGCMG飞轮故障的被动与主动故障容错控制策略中？

主要发现

• 如VSD系统中传感器或执行器误差等加法型故障，对控制精度的影响比转子或轴承故障等乘法型故障更为严重。
• 该通用故障模型通过将MEDs建模为级联EM-VSD系统，成功捕捉了各类MEDs的动力学特性，实现了不同执行器类型间的一致性故障仿真。
• 仿真结果表明，该故障模型能有效表征反作用轮与SGCMGs中的故障场景，并显示出不同的控制性能退化模式。
• 所提出的故障模型支持被动与主动故障容错控制策略：被动方式通过加法偏差估计实现，主动方式通过乘法有效性矩阵估计实现。
• 通过在多种故障条件下对航天器姿态控制的仿真验证了该故障模型的有效性，确认其在FTC系统设计中的实用性。
• 本研究为未来在SGCMG飞轮故障补偿方面开展本地估计器设计与有效性矩阵估计工作奠定了基础。