JP3574411B2

JP3574411B2 - 遠隔制御システム

Info

Publication number: JP3574411B2
Application number: JP2001031429A
Authority: JP
Inventors: 修伊藤; 康弘柏木; 史郎三木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: JP2002236515A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衛星搭載制御機器等の内部動作状態を評価し、特性の経時的変化を検出して補正する遠隔制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、制御系の安定性は制御系の周波数に対するゲインの変化と各周波数に対する位相差から判別される。制御の安定性の指標としてゲイン曲線が０ｄＢとなる周波数（以下、クロスオーバー周波数と呼ぶ）における位相が−１８０度になるのにどれ程余裕があるかを示す位相マージン、および位相曲線が−１８０度となる周波数でゲインが０ｄＢとなるのにどれだけ余裕があるのかを示すゲインマージンがある。位相マージンは４０〜５０度、ゲインマージンは１０〜２０ｄＢ程度あると安定である。逆に、位相が−１８０度となる周波数でゲインが０ｄＢより大きいとその制御系は発振する。機械の共振特性などによって高周波側でゲ
インが０ｄＢを超えた場合、この条件を満たすと制御系は不安定となる。
【０００３】
従来の衛星搭載の制御装置の場合、上記の指標に基づいて地上において各制御機器の特性を調整し、制御装置が安定するように各パラメータを決定するが、衛星軌道に打ち上げられてから特性が変化した場合、特性の変化に対応する手段を持ち合せていなかったため、性能劣化につながっていた。
【０００４】
例えば、図４は従来の衛星に搭載されたトラッキング機能付き望遠鏡である。図において、１はＣＣＤセンサ、２は画像処理回路、３はＯＮ／ＯＦＦスイッチ、５は積分回路、６はノッチフィルタ、７はローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと呼ぶ）、８はゲイン設定回路、９はＸＹマトリックス回路、１０はデジタルアナログコンバータ（以下、ＤＡＣと呼ぶ）、１１はドライバ、１２は電圧を加えることで伸縮する圧電アクチュエータ、１３はコントローラである。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３、積分回路５、ノッチフィルタ６、ローパスフィルタ７、ゲイン設定回路８、ＸＹマトリックス回路９、ＤＡＣ１０、コントローラ１３からなる制御回路部分は一つのＣＰＵにて実現している。
【０００５】
次に動作について説明する。例えば、観測光点の光が２次元的に素子を配列したＣＣＤセンサ１に入力されると、画像処理装置２によりもっとも信号強度の強い前記ＣＣＤセンサ１の素子を算出し、中心からの光点のずれ量ΔＸ、ΔＹをデジタル信号として制御回路に出力する。図においてΔＸ、ΔＹ信号はパラレルで入力するよう表記してあるが、同一線を時分割多重で出力することも可能である。一方、コントローラ１３は地上からのコマンド１６によりトラッキング制御ＯＮコマンドを受信すると、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３を閉じる。画像処理装置２から出力されたΔＸ、ΔＹのデジタル信号は積分回路５にて、低域ゲインを確保するため積分処理され、低域成分が強調され、ノッチフィルタ６に出力される。ノッチフィルタ６は、圧電アクチュエータ１２の機械共振特性が制御に影響を与える場合に、共振特性を抑圧するよう周波数特性を制御する。ＬＰＦ７は、制御帯域より十分高い不要な周波数成分を除去する。ゲイン設定回路８は、周波数に対する開ループゲイン曲線においてクロスオーバー周波数が、設計時の規定値とずれていた場合に、ゲインを調節して前記規定値となるようにし、入力された信号を設定されたゲインで増幅する。ＸＹマトリックス回路９は圧電アクチュエータ１２のＸ軸用とＹ軸用の２本のアクチュエータがそれぞれ相互干渉する成分を除去する回路である。このＸＹマトリックス回路９のマトリックスパラメータは、地上試験にて干渉量を測定して、あらかじめ決定され、入力されるＸ軸、Ｙ軸の信号からそれぞれ他軸の成分を持たないように変換し出力する。以上のように、処理されたＸ軸およびＹ軸信号はそれぞれＤＡＣ１０にてアナログ信号に変換され、ドライバ１１にて高電圧に変換され圧電アクチュエータ１２を駆動し、観測光軸を偏向することで、ＣＣＤセンサ１のΔＸ、ΔＹ成分が０となるように制御する。これにより、観測光軸は安定化し、ＣＣＤセンサ１上の観測データには衛星の振動等の影響を除去することができ、シャープな観測を可能にする。
【０００６】
その際、例えば、ノッチフィルタ６の特性は地上での試験にて圧電アクチュエータ１２の周波数特性からあらかじめ定められるが、経時変化などで機械共振特性が変化し、衛星軌道上で顕在化した場合は特性を変更できず、制御が不安定になる場合があった。
【０００７】
また、ＣＣＤセンサ１や圧電アクチュエータ１２の組み立て時の歪み等が長時間の使用によって助長され、Ｘ軸、Ｙ軸のクロス干渉が変化し増大した場合にもＸＹマトリックス回路のパラメータを変更する手段がなかったため対応が出来なかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の衛星搭載制御機器は以上のように構成されており、地上にて調整され、軌道上に打ち上げられると、以後、制御機器の機能評価は定期的に行うものの、内部特性の調整は行わなかった。しかし、軌道上では、放射線の影響、温度変化の影響を受けて、ＣＣＤセンサや圧電アクチュエータ内の圧電素子の感度特性等が変化する他、組み立て時の歪み等で、長時間使用する内にＸ軸、Ｙ軸のクロス干渉が変化、増大することもあり、これらの特性の変化が、観測機器の性能劣化につながり、衛星の長寿命化を図る上で問題となっていた。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高速フーリエ変換を用いた解析を行う解析装置を地上の遠隔制御装置に搭載することで、衛星を大型化すること無く、衛星搭載機器の各特性に変化があっても、制御回路の特性パラメータを変更することで、性能を維持し、長寿命化するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る遠隔制御システムは、衛星に搭載され、誤差信号を検出するセンサと、前記センサから出力された信号を用いて制御信号を出力する制御回路と、前記制御信号によって駆動されるアクチュエータとを含む閉ループ制御系、
地上に設置され、伝送手段を介して前記閉ループ制御系を遠隔制御する遠隔制御装置、
前記衛星に搭載され、前記制御信号に試験信号を加算する状態監視用信号源、
前記衛星に搭載され、前記試験信号が加算されているとき、前記センサの入出力信号と、前記制御回路内の各部の入出力信号と、前記アクチュエータの入出力信号とを記憶するメモリ、
前記衛星に搭載され、前記メモリが記憶した前記信号を前記遠隔制御装置に送るとともに、前記遠隔制御装置から送信された指令に基づいて前記制御回路の特性を制御するコントローラ、
前記遠隔制御装置内に設置され、前記試験信号が加算されているとき、前記メモリが記憶した前記入出力信号から必要とするデータを抽出し、抽出したデータにもとづき前記閉ループ制御系内の任意の部分の周波数特性を解析する解析装置を備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
発明の実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１の遠隔制御システムの構成を表すブロック図である。従来例と同一または同様の効果を奏するものには同じ符号を付す。４は加算回路、１５は状態監視信号源、１４はメモリ、１７はデータ処理回路、１８は衛星側アンテナ、１９は地上側アンテナ、２０は解析装置、ΔＸ、およびΔＹはＣＣＤセンサのセンサ平面上のＸ軸、Ｙ軸に平行な位置誤差信号である。従来例と同様の制御回路部分の他、メモリ１４、状態監視用信号源１５、データ処理回路１７が一つのＣＰＵにて実現されている。
【００１２】
以下、動作について説明する。通常の動作については従来例と同様である。制御機器のループ内に加算器４が加わったが、通常の観測等の場合には入力信号をそのまま出力する。特性解析時は、地上からのコマンドにより、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３を閉にして、観測制御をＯＮにする。その状態で、状態監視用信号源１５から一定周波数の正弦波信号を出力する。正弦波信号の周波数は、状態監視用信号源１５内のＲＯＭ上に展開されたものを、読み出しクロック周期を変えて調節し、また正弦波信号の振幅は状態監視用信号源１５が出力する際、信号をビットシフトすることで変更すればよい。これらはいずれも地上からのコマンドに含まれるデータとして指定できる。
【００１３】
状態監視用信号源１５からの正弦波信号は加算回路４にて、画像処理回路２にて算出された位置誤差信号ΔＸ、ΔＹにそれぞれデジタル加算される。加算された加算信号は、従来例と同様に処理されて、圧電アクチュエータを駆動する。これらの制御回路各部、および圧電アクチュエータ１２、および画像処理回路２の各入出力信号は、コントローラ１３内のレジスタ上に存在しており、当該レジスタ上の全てのデータはメモリ１４に出力され記憶される。これらのデータはメモリ容量の制約から、古いデータから消去して新しいデータを記憶する。または、地上からのコマンドにより、メモリ１４上のメモリすべき場所を指定することで効率的にデータを記憶するようにしてもよい。
【００１４】
メモリ１４に蓄積されたデータは地上側に伝送するためのテレメトリデータとして、データ処理回路１７にて集計され、衛星側アンテナ１８を介して地上に伝送される。地上側では伝送されたテレメトリデータから必要とするデータを抽出して解析装置２０に入力する。
【００１５】
解析装置２０では、衛星側の制御機器内各部の出力信号に高速フーリエ変換による解析（以下、ＦＦＴ解析と呼ぶ）を行い、ある周波数における制御機器の開ループゲインおよび開ループ位相を得る。例えば、Ｘ軸について考えると、状態監視用信号源１５から出力される正弦波の周波数を変化させて、各周波数ごとに加算器４の入力信号Ｘｉｎおよび出力信号Ｘｏｕｔをモニタし解析装置２０にて前記のような処理を行うことで、Ｘ軸についての各周波数ごとの開ループゲインおよび開ループ位相が得られる。これらを周波数に対してグラフ化することで制御機器のゲイン曲線および位相曲線を得る。得られたゲイン曲線および位相曲線から位相マージンとゲインマージンが算出され制御の安定が確認される。図２（ａ）にゲイン曲線と（ｂ）に位相曲線を示す。
【００１６】
図２（ａ）の１００は制御が安定時のゲイン曲線、１０１はＣＣＤセンサ１や圧電アクチュエータ１２の感度が劣化した結果、ゲインが変化したことを示すゲイン曲線である。Ａ１は曲線１００に対するクロスオーバー周波数、Ａ２は曲線１０１に対するクロスオーバー周波数である。また、図２（ｂ）のＢ１は曲線１００に対する位相マージン、Ｂ２は曲線１０１に対する位相マージンである。
【００１７】
経時変化等でゲイン曲線が曲線１００から曲線１０１に変化した場合、クロスオーバー周波数Ａ１が規定値からずれ、Ａ２のようになる。そのため位相マージンの値がＢ１からＢ２のように小さくなり、前記したように制御が不安定になる。そのような場合は、ゲイン設定回路にてクロスオーバー周波数が再びＡ１となるように地上からのコマンド１６によってコントローラ１３がパラメータを制御しゲインを設定し直す。
【００１８】
次に、圧電アクチュエータ１２の共振特性が経時的に変化し、ノッチフィルタの特性とずれた場合の修復方法について説明する。ノッチフィルタの伝達関数Ｇｎｏｔは一般的に以下の式で表される。
【数１】

ただし、Ｓ＝ｊω
ここで、ｊは虚数単位、ωは周波数である。ρｎ、ωｎはパラメータであり、コントローラ１３のパラメータテーブルに記憶されている。（１）式はω＝ωｎでゲインが零となる負のピークを持つため、ωｎを機械共振周波数と同じに調節すれば、機械共振を抑圧できるノッチフィルタを得る。
【００１９】
図３（ａ）はゲイン曲線、図３（ｂ）は位相曲線である。図３（ａ）の曲線１０２はノッチフィルタ６によって圧電アクチュエータ１２の共振特性が抑圧されているゲイン曲線、曲線１０３は経時的に圧電アクチュエータ１２の共振特性が変化しノッチフィルタ６の特性とずれてしまった場合のゲイン曲線である。曲線１０３のピークＰ１は圧電アクチュエータ１２の共振特性によるもの、ピークＰ２はノッチフィルタ６によるものである。地上にて圧電アクチュエータ１２の共振特性の測定結果から、上記のように、その共振特性を抑圧するようにノッチフィルタ６のパラメータを決めることで曲線１０２のようなゲインマージンを十分にとったゲイン曲線が得られる。しかし、宇宙空間で衛星運用中に徐々に特性が変化し、曲線１０３のように位相曲線が−１８０度になる周波数でゲイン曲線に０ｄＢを超えるピークＰ１を持つようになった場合、ゲインマージンがなくなり制御が不安定になることが考えられる。
【００２０】
そのため定期的に前記した開ループ特性を測定し、その結果からゲイン曲線および位相曲線を求め、共振周波数の変化に合わせてパラメータを再設定することで、共振ピークは抑圧され、制御の安定性が回復する。
【００２１】
さらに、Ｘ軸もしくはＹ軸の圧電アクチュエータ１２の圧電素子が歪んで、圧電アクチュエータ１２の動きに他軸成分が混ざるようになった場合について考える。例えば、軌道上でＸ軸方向にセンサを動かす圧電アクチュエータ１２の圧電素子が歪んで、Ｙ軸成分を持つようになった場合、Ｘ軸の制御系に外乱成分、すなわち加算器４によって状態監視用信号源１５の正弦波信号を加え、加算器４のＸ軸に関する入力信号ＸｉｎとＹ軸に関する出力信号Ｙｏｕｔをモニタし、その比のゲイン、および位相特性を求めることで干渉量を算出することができる。その干渉量から、ＸＹマトリックス回路９のパラメータをチューニングすることで干渉を抑圧する。
【００２２】
上記では、圧電アクチュエータ１２の圧電素子の歪みによってＸＹ干渉成分が生じる場合についてであったが、ＣＣＤセンサ１の歪みによってＸＹ干渉成分が生じても同様に処理することで制御の安定性を回復できる。
【００２３】
以上、制御回路各部のパラメータ制御について述べてきたが、本実施の形態１の遠隔制御システムを実際に運用する場合は、まず例えば加算回路４等の特定の一ブロックの入出力信号から制御系全体の周波数特性を調べればよい。メモリ１４に記憶されるその他制御回路各部の入出力信号は、定期点検時に上記のような問題があった場合のみ、問題個所の特定を行うために用いればよい。
【００２４】
以上、実施の形態１ではＦＦＴ解析を行う解析装置を地上局に備え、状態監視用信号源、加算器、データ処理回路とそれらを制御するコントローラを衛星搭載機器に備え、衛星搭載機器の特性を解析するための解析データを衛星から地上局に伝送し、定期的に地上局にて解析し、解析結果を基に制御回路内各部のパラメータを制御するようにしたため、衛星の大型化をすること無く長寿命化を図ることの出来る遠隔制御システムを得る。
【００２５】
なお、特性測定の間隔はあまり頻繁に行っても、また、あまり長期にわたって行わない場合でも、効率や効果の面で問題があることを考えて、例えば、３ヶ月間隔で特性測定を行うようにしてもよい。その際、３ヶ月間隔で得られた特性値をトレンド解析することで、制御機器の内部特性の劣化の有無を確認できる。
【００２６】
また、実施の形態１では衛星と地上局からなる遠隔制御システムの例を示したが、衛星搭載機器に限らず、地上の制御機能を有する他のシステムにも適用できることはいうまでもない。例えば、離島に設置されたアンテナ設備の追尾機構、風力発電設備の風向制御機構等の状態監視に適用すれば、装置を大型化すること無く、かつ定期的に保守に出かける頻度を大幅に低減できる遠隔制御システムを得る。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１では、状態監視用信号源から出力する信号に正弦波信号を用いて制御機器の安定性を点検する例について説明した。正弦波信号を用いて解析する場合には、高精度に信号解析できるが、各周波数毎にその応答信号を地上に伝送する必要があり、特性測定時間に長時間必要で地上局の可視時間（およそ１０分）内に必要な全ての周波数についての特性を得ることができない場合がある。
【００２８】
そこで、正弦波信号の代わりに、ステップ信号や、インパルス信号を入力し、その応答信号をモニタして地上にてＦＦＴ解析する。インパルス信号をフーリエ変換すると全ての周波数成分を含んでおり、一回の測定で全周波数について開ループゲイン、および開ループ位相を求めることができる。ステップ信号についても同様である。以上のように、状態監視用信号源１５からインパルス信号、または、ステップ信号を加算器４に出力し、周波数特性の算出に利用することで、正弦波信号と比べ周波数ごとの信号強度が弱いため精度は劣るものの、短時間で全周波数についての開ループゲイン、および開ループ位相を求めることができる遠隔制御システムを得る。
なお、ここでは周波数解析手法として、高速フーリエ変換を用いて説明したが、これに限定されるものでははなく、各周波数毎に２信号のゲインと位相差を検出できるものであれば何でもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上の様に、本発明に係る遠隔制御システムでは、閉ループ制御系に正弦波信号を出力する状態監視用信号源、加算器、データ処理回路とそれらを制御するコントローラ、制御系内の各部の信号を記憶するメモリ、このメモリの全ての信号を地上に伝送する伝送装置を衛星搭載し、
また、周波数特性解析を行う解析装置を地上に備え、前記メモリから伝送されたデータの中から必要なものを抽出して、制御系内の任意の２点間の周波数特性を解析することができるので、抽出データを順次変更して解析することにより、閉ループ制御系内の異常個所の特定が可能である。
【００３０】
また、正弦波信号の代わりにインパルス信号またはステップ信号を出力する状態監視用信号源を備えたため、定期的に地上局にて衛星搭載機器の特性を解析し、各特性の変化に応じて制御回路各部のパラメータを再設定するため、正弦波信号と比べ解析の精度は劣るものの、短時間で衛星搭載機器の特性を全周波数について解析でき、衛星の大型化をすること無く長寿命化を図ることの出来る遠隔制御システムを得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る遠隔制御システムの構成を表すブロック図である。
【図２】（ａ）は制御機器のゲインが低下したことを示すゲイン曲線、（ｂ）は制御機器の位相曲線である。
【図３】（ａ）は制御機器の共振周波数とノッチフィルタのピークがずれたことを示すゲイン曲線、（ｂ）は制御機器の位相曲線である。
【図４】従来の遠隔制御システムの構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
１ＣＣＤセンサ、２画像処理回路、３ＯＮ／ＯＦＦフィルタ、４加算回路、
５積分回路、６ノッチフィルタ、７ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、
８ゲイン設定回路、９ＸＹマトリックス回路、
１０ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）、１ドライバ、
１２圧電アクチュエータ、１３コントローラ、１４メモリ、
１５状態監視用信号源、１６コマンド、１７データ処理回路、
１８衛星側アンテナ、１９地上側アンテナ、２０解析装置、
１００、１０１、１０２、１０３ゲイン曲線。

Claims

衛星に搭載され、誤差信号を検出するセンサと、前記センサから出力された信号を用いて制御信号を出力する制御回路と、前記制御信号によって駆動されるアクチュエータとを含む閉ループ制御系、
地上に設置され、伝送手段を介して前記閉ループ制御系を遠隔制御する遠隔制御装置、
前記衛星に搭載され、前記制御信号に試験信号を加算する状態監視用信号源、
前記衛星に搭載され、前記試験信号が加算されているとき、前記センサの入出力信号と、前記制御回路内の各部の入出力信号と、前記アクチュエータの入出力信号とを記憶するメモリ、
前記衛星に搭載され、前記メモリが記憶した前記信号を前記遠隔制御装置に送るとともに、前記遠隔制御装置から送信された指令に基づいて前記制御回路の特性を制御するコントローラ、
前記遠隔制御装置内に設置され、前記試験信号が加算されているとき、前記メモリが記憶した前記入出力信号から必要とするデータを抽出し、抽出したデータにもとづき前記閉ループ制御系内の任意の部分の周波数特性を解析する解析装置を備えたことを特徴とする遠隔制御システム。
前記制御回路は、前記アクチュエータの機械共振特性を抑圧するノッチフィルタを備え、前記メモリはこのノッチフィルタを含む前記制御回路各部の入出力信号を記憶するものであることを特徴とする請求項１記載の遠隔制御システム。
前記制御回路は一つのＣＰＵを含むものであることを特徴とする請求項１または２に記載の遠隔制御システム。
前記試験信号として、正弦波信号を用いたことを特徴とする請求項１または３記載の遠隔制御システム。
前記試験信号として、インパルス信号またはステップ信号を用いたことを特徴とする請求項１または３記載の遠隔制御システム。
前記解析装置は、高速フーリエ変換を用いた解析を行うものであることを特徴とする請求項１または３記載の遠隔制御システム。