Der Sekundärspiegelmechanismus (SMM) ist eine der kritischsten Komponenten des Stratosphären Observatoriums für Infrarot Astronomie (SOFIA); fällt er aus, ist das Teleskop nutzlos. Sein Leistungsvermögen hat entscheidenden Einfluss auf die Gesamtleistung des Observatoriums, vor allem auf die Ausrichtstabilität und die effektive Beobachtungszeit. Der SOFIA SMM wurde von der Firma Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) gebaut, im Jahr 2003 ausgeliefert und im selben Jahr ins Teleskop integriert. Neben anderen Aufgaben wie der Fokussierang des Teleskops und der Herstellung der Kollimation ist es der Hauptzweck des SOFIA SMM, den in der Fokalebene sichtbaren Himmelsausschnitt regelmäßig zu wechseln. Diese als Chopping bezeichnete Technik ermöglicht die Bestimmung und anschließende Subtraktion der infraroten Hintergrundstrahlung. Der Wechsel des Sichtfeldes wird dadurch erreicht, dass die durch den SMM gesteuerte Sekundärspiegelposition einer Rechteckschwingung mit Frequenzen von bis zu 20 Hz und Spitze-zu-Spitze-Amplituden von bis zu 10 arcmin am Himmel folgt. Nach der Integration in das Teleskop erfüllte der SMM die sehr anspruchsvollen spezifizierten Vorgaben an die Einschwingzeit und die Ausrichtstabilität nicht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird deshalb der Regelalgorithmus neu ausgelegt und verschiedene Regelkonzepte wie ein PID-Regler, ein durch Polvorgabe ermittelter Regler sowie ein optimaler Regler angewandt und miteinander verglichen. Zu diesem Zweck werden mittels Systemidentifikation mathematische Modelle entwickelt, die das dynamische Verhalten des SMM reproduzieren. Ein Modell, das keinerlei Kenntnis der SMM Dynamik voraussetzt, wird mit einem Modell verglichen, das auf den Bewegungsgleichungen des SMM beruht. Anschließend werden einige zusätzliche Eigenschaften wie eine Verzögerung im System, Eigenfrequenzen und Nichtlinearitäten zu dem linearen Starrkörpermodell hinzugefügt. Das geeignetste Modell wird dann für den Reglerentwurf verwendet. Es wird gezeigt, dass sowohl ein Regler, der die Pole des geschlossenen Regelkreises auf die Pole eines Besselfilters legt, als auch ein Regler, der mittels Minimierung einer Gütefunktion ermittelt wird, die Leistung des SMM erheblich verbessert, wenn er mit einem sogenannten Beobachter kombiniert wird. Der Beobachter verwendet das zuvor identifizierte Modell, um in Echtzeit die Reaktion des SMM auf die Führungsgröße abzuschätzen. Die Nutzung dieser Schätzwerte ermöglicht die Kompensation einer systeminhärenten Totzeit. Durch eine sorgfältige Auswahl der Beobachter-Verstärkungsfaktoren, die das Verhältnis von Sensormesswert zu Schätzwert beeinflussen, wird auch das Sensorrauschen im Regelkreis entscheidend reduziert. Die erreichte Leistungssteigerung, die es erst ermöglicht, mit SOFIA herausragende Wissenschaft zu betreiben, wird anhand von Messdaten belegt, die sowohl bei Tests am Boden als auch bei Tests im Flug unter Stratosphärenbedingungen gewonnen wurden. Abschließend werden einige leistungsbeschränkende Faktoren erklärt und es wird vorgestellt, welche Bemühungen bereits im Gange oder aber in der Planung sind, um diese Beschränkungen zu beseitigen.

    The Secondary Mirror Assembly (SMA) is one of the most crucial components of the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). It is a single point of failure component, and its performance has a great influence on the overall observatory performance, most notably on the pointing stability and on the effective observing time. The SOFIA Secondary Mirror Mechanism (SMM, SMA less the Secondary Mirror) has been built by the Swiss company Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) and was delivered and integrated with the telescope in 2003. Among other tasks, such as adjusting the collimation and focus position, the main purpose of the SOFIA SMA is to periodically switch the section of the sky visible in the observatory's focal plane. This technique is called chopping and allows for the determination and subsequent subtraction of the infrared background radiation. This alternating field of view is achieved with the SMM position following a square wave pattern with frequencies of up to 20 Hz and peak-to-peak amplitudes of up to 10 arcmin on the sky. Originally, the specified, highly ambitious values for settling time and position stability of the SMM were not met. In the framework of this thesis, the control algorithm is redesigned, and different control design concepts, such as a proportional-integral-derivative (PID) controller, a controller obtained via pole placement, and a controller designed with an optimal control approach are applied and compared. For this purpose mathematical models that reproduce the SMM's dynamic behavior are developed using system identification methods. A black box model which does not require a deeper understanding of the SMM's dynamics is compared to a grey box model which is based on the SMM's equations of motion. Then several additions are made to this linear rigid body model to represent a time delay, flexible modes, and nonlinearities. The most accurate model is then used for the control design. It is demonstrated that a controller placing the system's closed loop poles on Bessel filter poles as well as a controller designed by minimizing a cost function dramatically improve the SMM's performance if they are combined with a so called observer. The observer applies the previously identified model for real-time estimation of the SMM's reaction to the control input. This approach allows for the compensation of an inherent time delay. By carefully choosing observer gains, that balance the ratio of the sensor measurements to the estimated values, a crucial reduction of sensor noise in the control loop is achieved. These performance improvements, which enable SOFIA to perform extraordinary science, are demonstrated with data gathered on the ground and also in flight under stratospheric conditions. Finally, the hurdles preventing further performance improvements are explained and the efforts under way or in planning to modify the hardware to overcome these hurdles are introduced.


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    Title :

    Inflight commissioning and performance improvement of the SOFIA secondary mirror mechanism


    Contributors:

    Published in:

    Publication date :

    2014


    Size :

    194 Seiten, Bilder, Tabellen, 77 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English





    Inflight Rearming

    M. W. Cole | NTIS | 1988


    Inflight phonocardiogram

    Dietlein, L. F. / Vallbona, C. | NTRS | 1966


    Inflight crew activities.

    Kuehnel, H. A. | NTRS | 1964


    SPECIAL INFLIGHT EXPERIMENTS

    Armstrong, W. O. / Fisher, L. R. / Warren, C. W. | NTRS | 1963