Das Konzept des Kräfte- und Momentenfreien Satelliten ist in der Vergangenheit für wissenschaftliche Missionen in Betracht gezogen worden, wo eine Testmasse im einem sehr ruhigen freien Fall gehalten werden muss. Dafür ist die Entwicklung eines Regelungssystems notwendig, das in der Lage ist, die äußeren auf die Testmasse einwirkenden Störkräfte zu kompensieren. Die Entwicklung eines solchen Regelungssystems beruht auf dem zur Verfügung stehenden Modell des Systems. Normalerweise ist es sehr teuer und manchmal sogar unmöglich, die Satellitendynamik auf einem Genauigkeitslevel zu modellieren, der vergleichbar ist mit den Anforderungen, die wissenschaftliche Missionen an die Störungsfreiheit des freien Falls stellen. Aus diesem Grund muss der Regler gegen die Unsicherheiten, die in diesem Modell präsent sind, robust sein. Die Robustheit eines Regelungssystems für Kräft- und Momentenfreie Satelliten wird in dieser Arbeit unter zwei unterschiedlichen Gesichtspunkten behandelt, nämlich der Analyse der Robustheit und dem Entwurf eines robusten Regelungssystems. Zuerst wird die Robustheit der Leistungsfähigkeit eines Regelungssystems im Rahmen einer realen Mission untersucht. Das Ergebnis dieser Analyse zeigt, dass die Robustheit der Leistungsfähigkeit eines Regelungssystems bei der Entwicklung eines Kräfte- und Momentenfreien Satelliten entsprechend in Betracht gezogen werden muss. Damit könnten die Kosten, die mit der Entwicklung der Mission verbunden sind, reduziert und der Erfolg der Mission gesichert werden. Darüber hinaus liefern die Ergebnisse der Analyse weitere Informationen über die Parameter, welche für die Verletzung der Anforderungen an das System verantwortlich sind. Dies ist sehr nützlich für den Fall, dass ein Neuentwurf des Regelungssystems erforderlich ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit geht es um das Problem der Auslegung eines robusten Reglers. Im Einzelnen werden bereits vorhandene und neuartige Instrumente vorgestellt, die die Auslegung eines robusten Regelungssystems in einer systematischen Vorgehensweise zu angehen. Zuerst werden Approximationstechniken ausgewertet, um die Komplexität des Modells, das für die Auslegung des Reglers benutzt wird, zu reduzieren. Anschließend wird das wissenschaftliche Hauptziel in Regelungsanforderungen aufgeteilt, wobei die Unsicherheit im System mitberücksichtigt wird. Schließlich wird eine neue Technik für die Auslegung eines Regelungssystems vorgestellt. Diese Technik beruht auf dem gemischt strukturierten Singulärwert und erlaubt es ein Regelungssystem zu entwickeln, das die Spezifikationen, welche im vorangegangen Teil der Arbeit herausgearbeitet worden sind, robust zu erfüllen. Die vorgeschlagene Technik wird zuerst für einen Testfall verwendet, der als repräsentativ für die meisten Kräfte- und Momentenfreien Satellitenmissionen betrachtet wird. Es wird dann ein Regler für ein realistischeres Beispiel entworfen, wofür ein nichtlinearer Simulator verfügbar war. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode erlaubt, die Unsicherheiten in dem Modell des Satelliten zu berücksichtigen, wobei man die Komplexität des Regelungssystems auf einem niedrigen Level halten kann.

    The drag-free satellite concept has been considered in the past for scientific missions where it is necessary to put a test mass into an ultra-quiet free-fall condition. This requires the design of a drag-free controller able to reduce the non-gravitational accelerations acting on the test mass to extremely low values. The design of such controller relies on the model of the system available. It is usually very expensive and sometimes even impossible to model the satellite dynamic to an accuracy level comparable to the one associated to the free-fall requirement. For this reason, the control system must be robust against the uncertainties present in the model. The issue of robustness of drag-free controllers is investigated in this work under two different points of view, namely analysis of robustness and synthesis of robust controllers. First the robustness of performance of a controller implemented on a real mission is investigated. The result of the analysis shows that robustness of performance must be properly taken into account during the design of a drag-free satellite in order to decrease the costs associated to the mission development and not to compromise the success of the mission. Moreover, the results of the analysis provide informations about the parameters most responsible for the lost of performance of the system. This is very useful in the case in which a system redesign is required. In the second part of the present work, the problem of designing a robust controller for a drag-free satellite is addressed. In particular, existing and novel tools are introduced in order to tackle in a systematic manner the design of a drag-free controller for plants subject to uncertainties. Approximation techniques are first exploited in order to reduce the complexity of the plant used for controller design. Afterward, the scientific performance objective is broken down into control specifications, taking into account the uncertainty in the system. Finally, a novel synthesis technique based on the mixed structured singular value is introduced tö design the controller that robustly satisfy the control specifications derived in the previous phase. The technique proposed is applied first to a benchmark problem, considered representative of the most modern drag-free missions, and then to a more realistic example, for which a nonlinear simulator was available. The. results show that the method proposed allows to properly account for the uncertainties in the design plant while keeping the controller complexity to a minimum level.


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    Title :

    Robust controller design for drag-free satellites


    Contributors:


    Publication date :

    2009


    Size :

    151 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English




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