Uydu yöneliminin bulanık değişken yapılı kontrolcü ile denetimi
Satellite attitude control using fuzzy variable structure controller
Yazar: BİLGEHAN ERKAL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN DEMİREL
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, çeşitli uyduların yönelim kontrolünü yüksek belirsizlikler altında kararlı bir biçimde gerçekleştirebilecek gürbüz bir kontrolcü, yapay zeka tekniklerine dayalı olarak tasarlanmıştır. Sensör sisteminde yüksek gecikmeler içeren sistemlerin kontrolü güç bir iştir. Literatürde, bu probleme önerilen çeşitli çözümlerden birisi kontrolcüyü en baştan yüksek bir gürbüzlük seviyesine sahip olarak tasarlamaktır. Tez çalışmasında da bu yaklaşım benimsenmiştir. Çözüm olarak önerilen kontrolcü, melez Bulanık Değişken Yapılı Kontrolcüdür (BDYK). Çalışmada, BDYK parametreleri optimal değerlere ayarlanmıştır. Önerilen kontrolcünün gürbüz karakterini ortaya koymak maksadıyla tasarlanan benzetim ortamı 3 serbestlik derecesine sahip gövde modeline dayalı bir uydu modeli içermektedir.
Gövde modeli etrafında eyleyici ve sensör modelleri bulunmaktadır. Eyleyici modeli montaj hatalarından kaynaklanan belirsizlikler içermektedir. Sensör modeli ise çalışmanın farklı aşamalarında değişen oranlarda gecikme ve jitter gürültüsü içermektedir. Benzetim ortamında sistem performansı MATLAB/Simulink altında kaydedilmiş ve yönelim hataları bir grafik haline getirilmiştir. Ayrıca bu grafiklerdeki verilerden elde edilen rms yönelim hataları farklı kontrolcülerin gösterdiği performansları karşılaştırmak maksadıyla hesaplanmıştır. Kontrolcünün gürbüz karakterini ortaya koymak için 3 farklı deney tasarlanmıştır. Her bir deneyde kullanılan uydu modelleri, yönelim komutları ve belirsizlik seviyeleri farklıdır. Böylece kontrolcünün karakteri farklı açılardan ele alınmaya çalışılmıştır. Ayrıca çalışmada karşılaştırma maksadıyla PD, LQG ve LS kontrolcüler gibi farklı kontrolcüler tasarlanmıştır. 1 nolu deneyde ayrıca BDYK?nın integral bir terim içeren başka bir versiyonu (İBDYK) da mevcuttur. İleriki deneylerde BDYK parametrelerini uygun değerlere ayarlamakla bir integral terime ihtiyaç olmadığı gösterilmiştir. Çalışmada, en yüksek belirsizlik seviyeleri 3 nolu deneyde uygulanmıştır. Ayrıca, 3 nolu deneyde kontrolcü performansları değişken gecikmeler ve jitter gürültüsü kullanılarak daha ayrıntılı bir biçimde irdelenmiştir. Sonuç olarak her 3 deneyde BDYK?nın yüksek belirsizlikler altında kararlılığını koruyabilen gürbüz bir karakterde olduğu görülmüştür. Diğer kontrolcülerden, PD ve LQG kontrolcülerin yeterince gürbüz karakterde olmadığı anlaşılmıştır. LS kontrolcünün, BDYK?ya performans olarak en yakın olduğu bulunmuştur. 
Çalışma sonuçlarına göre BDYK gürbüz bir kontrolcüdür ve başta algılayıcı verisindeki gecikmeler olmak üzere yüksek belirsizlikler ve jitter gürültüsü altında uydu yönelimini kontrol edebilme kabiliyetine sahiptir. Çalışmanın getirdiği en önemli yenilik, başta yüksek gecikmeler olmak üzere çeşitli belirsizliklerle BDYK gibi bir gürbüz kontrolcünün tek başına üstesinden gelebileceğini göstermiş olmasıdır.

Abstract:
In this thesis, a robust controller is designed using artificial intelligence techniques to control the attitude of various satellites with high uncertainties. It is very difficult to control systems with high time delay in sensor systems. One of the proposed solutions to this problem in the literature is to design the controller with high robustness at the beginning. This approach is also adopted in the study. Proposed controller is the hybrid Fuzzy Variable Structure Controller (FVSC). The parameters of the FVSC are tuned to optimal values in the study. A simulation environment is devised to test the robustness of the proposed controller. Simulation environment is based on a rigid 3-DoF satellite body model. 
Actuator and sensor models complement the body model. Actuator model incorporates uncertainties due to misplacement. Sensor model incorporates various level of delay and jitter noise which are varied according to the various stages of the study. Data produced by the simulation environment is recorded under MATLAB/Simulink environment and attitude errors of the satellite are sketched as graphs. Also, rms attitude errors in three axes are calculated using simulation data to make a comparison between the performances of different controllers. Three experiments are designed to demonstrate the robustness of the proposed controller. Satellite models, attitude commands and the uncertainty levels in the system are different in each experiment. There are three additional controllers used in the study: PD, LQG and LS. Also in the first experiment, there is a variant of FVSC called Integral FVSC (IFVSC), which incorporates an integral term in it. It is shown later in other experiments that there is no need in an integral term by tuning the controller parameters to optimal values. The highest level of uncertainties is seen in the third experiment. Controller performances are inspected in more detail by using various delays and jitter noise in the sensor systems of the satellite model. As a result, it is shown that the FVSC is a robust controller which can preserve stability in the satellite model with high uncertainties. It is seen that, the other controllers, PD and LQG controllers are not robust. LS controller is robust and is the one that shows a performance close to the FVSC. 
As a summary, FVSC is a robust controller and has the capability to control the attitude of a satellite with high uncertainties such as time delays and jitter in sensor data. The most important novelty of the study is that it proves a controller with high robustness such as FVSC can easily cope with high uncertainty levels alone.