Güdümlü bir mühimmat kanatçık tahrik sistemi için iki döngülü kontrol sistemi tasarımı
Cascade control system design for a guided missile fin actuation system
Yazar: ERSİN DAŞ
Danışman: PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, güdümlü bir mühimmatı istenilen konuma yönlendirmek amacıyla kullanılan ve elektromekanik bir servo sistem olan kanatçık tahrik sisteminin modelinin çıkarılması ve bu model kullanılarak tasarlanan farklı türlerdeki kontrolcülerin sisteme uygulanması anlatılmaktadır.
Güdümlü mühimmatın uçuşu süresince kanatçık tahrik sistemi üzerinde; parametre değişimleri, elektriksel ve mekanik gürültülerden kaynaklı bozucu etmenler ve kanatçık açısı, vuruş açısı ile vuruş hızı değerlerine bağlı olarak menteşe momentleri oluşmaktadır.
Sistem tanımlama yöntemleri kullanılarak elde edilen modeller ve sistemin çalışma amacı olan menteşe momentlerine karşı koyma durumu göz önüne alınarak çeşitli kontrolcü türleri bu çalışma kapsamında incelenmiştir.
Sistem yapılarında mevcut olan bozucu etmenler ve belirsizlikler geleneksel kontrol yöntemlerinin istenilen performansları sağlamasını engellemektedir. Güdümlü mühimmat gibi kontrolcü başarımının oldukça kritik olduğu durumlarda gürbüz kontrol yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Kanatçık tahrik sistemlerinde oluşan değişimler ve bozucu etkiler altında konum ve hız kontrolü yapabilmek için en çok tercih edilen kontrol yöntemlerinden biri de gürbüz (İng. robust) kontrol yöntemidir. Fakat bu yöntemde karşılaşılan gürbüz karalılık ve gürbüz performans arasındaki ters orantı problemi bazı durumlarda istenilen performans kriterlerinin sağlanamayacağı anlamına gelmektedir.
İstenilen kararlılık ve performans değerlerini aynı anda sağlayacak şekilde kontrolcü tasarım yöntemlerinden biri de iki serbestlik dereceli başka bir ifade ile iki döngülü kontrol sistemlerinin kullanılmasıdır. Belirlenen çerçevede, bu çalışmada kullanılan ve güdümlü bir mühimmata ait olan kanatçık tahrik sisteminde konumlama hassasiyetini artırarak sistemde oluşabilecek değişimler ile bozucu etkiler altında arzu edilen performansı garanti etmek için iç içe iki döngüden oluşan kontrol sistemi tasarlanmıştır.
İki döngülü kontrol sistemi yapısında tercih edilen kontrolcüler ayrı ayrı sistem üzerinde denendikten sonra ikisi birlikte kullanılmıştır. Sistem üzerinden doğrudan elde edilen konum bilgilerini kullanarak hız algılayan bir hız kestirimci tasarlanmıştır. Bu kestirimciden elde edilen kanatçık hızının kontrol edildiği iç döngüde kullanılan gürbüz kontrolcü, sistemde oluşabilecek belirsizlikler ve sisteme etkiyen bozucu etkiler altında istenilen kararlık performansını sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Dış döngüde kullanılan ve kanatçık açısı değişimini kontrol eden kontrolcü ise durağan durumdaki açısal konum hatasını sıfırlayacak şekilde konum kontrolü yapmak amacıyla tasarlanmıştır.
xviii
Bilgisayar benzetimleri ve gerçek zamanlı olarak yapılan testlerin sonuçları üç farklı kontrol sistemi için sunulmuştur. Önerilen iki döngülü kontrolcünün istenilen konumlama hassasiyetini belirsizlikler ve bozucu etkiler altında yerine getirmede yeterli olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, modeling of a fin actuation system which is an electromechanical servo system that used for guiding a missile to desired position, designing different types of controllers with using the derived model and application of these controllers on the system is carried out.
During the flight of a guided missile; hinge moments arise on the fin actuation system due to parameter changes, disturbances caused by electrical-mechanical noises, and also depending on the fin deflection angle, angle of attack, and the speed of the missile.
Dynamical model of the system is obtained by using system identification techniques and various types of controllers are examined in the scope of this study while considering the reaction of system to the hinge moments.
Inherent disturbances and uncertainties obstruct the desired performance of classical control methods. Robust control methods are frequently used when the performance of the controller is crucial such as the guidance of guided missiles. robust control method is one of the most preferred control methods for performing position and velocity control in the fin actuation systems under the disturbances and uncertainties. However, there is a trade-off between the robust stability and the robust performance problem means that desired performance criteria cannot be achieved in some cases.
The other method in order to provide both required stability and performance criteria at the same time, is to use two degrees of freedom controllers in other words two loop control systems. Within this scope, nested two loop control system is designed for guaranteeing the desired performance under disturbances and changes that might occur in the system with increasing positioning sensitivity of fin actuation system which belongs to a guided missile.
Preferred controllers in two loop controller structures are tested on the system separately then both of them are used together. A velocity estimator is designed which senses velocity by using position data that is obtained directly on the system. robust controller, which is used at inner loop to control angular velocity of fin which is obtained from this estimator, is designed to provide desired stability performance under disturbances and uncertainties. PI controller, used in outer loop to control fin deflection, designed for position control to able to eliminate angular position error in steady state condition.
Results of computer simulations and real time experiments are presented for three different control systems. It is observed that suggested two degrees of control system is capable of