Anten servo sistemi için PID, LQG ve kayan kipli kontrolcü tasarımı ve performans kıyaslaması
PID, LQG and sliding mode controllers design for antenna servo system and performance comparison
Yazar: YILMAZ ÜTÜK
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Antenler, elektromanyetik dalgalardan istifade ederek uzun mesafeler arasındaki veri iletişimini sağlayan sistem elemanlarıdır. Günümüzde sivil ve askeri uygulama alanlarında, özellikle haberleşme ve radar sistemlerinde antenler yaygın olarak kullanılmaktadır. Hassasiyet ve takip doğruluğunun önemli olduğu bu çalışmalarda anten birimini yanca ve yükseliş eksenlerinde istenilen hedefe yönlendiren servo kontrol sistemleri kullanılır. Doğru akım motoru, hız ve konum denetimi gerektiren servo sistem uygulamalarında önemli bir tahrik unsurudur. Başarılı performans sunması, yüksek verimlilik sağlaması ve kolay bir şekilde kontrol altında tutulabilmeleri sayesinde pek çok uygulamada çeşitli amaçlar doğrultusunda doğru akım motorlarından faydalanılmaktadır. Pratik uygulamalarda sistemler gürültü ve titreşim gibi çeşitli bozucu etkenlere maruz kalabilmektedir. Yine benzer etkenlerden dolayı sistem birimlerinde yer alan parametreler zamanla değişebilir veya tam olarak bilinmeyen parametrelerle modelleme yapılması sebebiyle sistemde belirsizlikler oluşabilmektedir. Hassasiyeti ve takip doğruluğunu olumsuz yönde etkileyen bu gibi etmenler sebebiyle servo sistemlerde kullanılan denetim yönteminin iyi seçilmesi gerekir. Bu kapsamda, kullanılan denetim yöntemlerinin daha hızlı tepki gösterme, bozuculara ve belirsizliklere karşı dayanıklı olmak gibi davranış sergilemeleri istenir.
Bu çalışmada, matematiksel modeli çıkarılan anten servo sistemi için sistemin çıkışı olan konumu kontrol etmek amacıyla geleneksel bir kontrol türü olan PID, dayanıklı doğrusal olmayan bir kontrol türü olan kayan kipli kontrol ve bir optimal kontrol türü olan doğrusal karesel Gaussian (LQG) yöntemleri ile kontrolcü tasarımı yapılmış, tasarlanan kontrolcülerin MATLAB/Simulink uygulaması kullanılanarak benzetim ortamında uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Benzer uygulamalar pratikte karşılaşılabilecek bozucu ve belirsizlik içeren benzetim ortamlarında da yapılarak kontrolcülerin gürbüzlüğü değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar çeşitli performans analiz yöntemlerinden yararlanılarak incelenmiştir. Tasarlanan kontrolcülerden elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, anten servo sisteminde kullanılabilecek en uygun kontrol yöntemi kayan kipli kontrolcü olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Antennas are system elements that make use of electromagnetic waves and provide data communication between long distances. At the present time, antennas which are widely used in civil and military applications, especially in communication and radar systems. Servo control systems that direct the antenna unit in azimuth and elevation axes are used in these studies where sensitivity and tracking accuracy are important. Direct current motor is an important drive element in servo system applications that require speed and position control. Thanks to their successful performance, high efficiency and ease of control, direct current motors are used in many applications for various purposes. In practical applications, systems can be exposed to various disturbances such as noise and vibration. Again, due to similar factors, parameters may change over time in system units, or uncertainties may occur in the system due to modeling with unknown parameters. For this reason, the control method that is used in servo systems that require precision should be chosen well. In this context, it is required that the control methods behave quick response, robust against disturbances and uncertainties.
In this study, controller design has been made with PID, which is a traditional control type, with sliding mode control, which is a nonlinear control type and with linear quadratic Gaussian (LQG), which is an optimal control type for position output of the antenna servo system whose mathematical model has been determined. The designed controllers have been implemented in simulation environment by using MATLAB/Simulink application. Similar applications have been carried out in simulation environments, which can be encountered in practice, which are disturbance and uncertainty, with results the robustness of the controllers have been evaluated. The results that are obtained after simulations have been analyzed by using various performance analyses methods. After comparing the results of designed controllers, the most appropriate control method that can be used in the antenna servo system has been determined as sliding mode controller.