Sürekli zaman genelleştirilmiş öngörülü denetleyici ile F-16 uçuş denetim sistemi tasarımı
F-16 flight control system design by using continuous time generalized predictive control
Yazar: HÜSEYİN AKTAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DEMİRCİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Günümüz havacılık ve savunma teknolojilerinde otopilot ve uçuş denetim sistemleri son derece önemli bir yer tutmaktadır. Hava araçları ile uzun ve başarılı görevler yapabilmek için insan yükünün azaltılması ve hatta kaldırılması söz konusu olup bu bağlamda otopilot ve uçuş denetim sistemleri üzerine hem akademik hem endüstriyel birçok AR-GE çalışması yapılmıştır. Bu çalışmalar farklı denetleyici yöntemleri ile hala devam etmekte olup yüksek başarımlı savaş uçakları uygulama alanlarından sadece bir tanesidir.
Bu tez çalışmasının birincil amacı ülkemizde başlamış olan Milli Muharip Uçak  (MMU) projesi ile tasarlanacak olan 5. nesil savaş uçağına otopilot ve uçuş denetim sistemleri için katkı sağlamaktır. Bu kapsamda uçuş denetim sistem tasarımı için yüksek başarımlı bir savaş uçağı olan F-16 modeli seçilmiştir. Bu uçak modelinin başlıca seçilme sebepleri ülkemizde kullanılıyor ve üretiliyor olmasıdır. Ayrıca F16 ile ilgili birçok kaynak mevcuttur. İlk olarak hava aracının yüksek doğrulukta aerodinamik veri tabanı kullanılarak doğrusal olmayan dinamik modeli oluşturulmuş sonrasında ise bu model üzerinden uçuş denge koşulları ve doğrusal modeli elde edilmiştir. Elde edilen doğrusal modelin karşılaştırma ve doğrulaması yapılmış ve bu model kullanılarak hem pilot destekleyici hem de yarı otonom olmak üzere iki farklı uçuş denetim sistemi tasarlanmıştır. Denetleyici tasarımlarında Sürekli Zaman Genelleştirilmiş Öngörülü Denetim (SÜGÖNDE) yöntemi kullanılmıştır. SÜGÖNDE yöntemi, sistemin çıkışının öngörülmesine dayanan güçlü bir denetim yöntemidir. Bu denetleyici yönteminin seçilmesinin sebebi yüksek başarıma sahip olması ve denetleyici parametreleri seçiminin sistem tepkisi ile fiziksel ilişki kurulabilmesinden dolayı kolay olmasıdır.
Tasarımlar, uçuş kalitesi, kullanım kalitesi ve askeri tasarım standardı dokümanları kılavuzluğundaki ölçütler göz önüne alınarak gerçekleştirilmiş ve ayrıntılı analizleri yapılmıştır. Özellikle insanlı uçaklarda pilotların iş yükünün azaltılması ve daha başarılı ve hassas görevler yapılabilmesi için tasarlanacak olan uçuş denetim sisteminin kullanım kalitesi bakımından belirlenen ölçütlere uyması son derece önemlidir. Ayrıca pilot ve uçuş denetim sistemi arasındaki uyumsuzluğu betimleyen PIO durumundan uzak kalınacak şekilde tasarım yapılmalıdır. Pilota destek sağlayan uçuş denetim sistemi tasarımı bu ölçütler dâhilinde yapılmıştır. 
Tasarlanan denetleyiciler ile hava aracının boylamsal ve yanal-dikey eksenlerde kararlılığı sağlanmış, her bir denetleyici döngüsünün takip başarımları açıkça belirtilerek zaman ve frekans bölgelerinde incelenmiştir.  Uçuş denetim sistemleri ve doğrusal olmayan model ile yapılan benzetim çalışmalarına algılayıcı modelleri, eyleyici modelleri, donanımsal ve yazılımsal zaman gecikmeleri eklenmiş olup mümkün olduğunca çalışmanın gerçeğe yakın olması sağlanmıştır.

Abstract:
Autopilot and flight control systems have an extremely important place in todays's aviation and defense technologies. To be able to accomplish long and successful missions with aircrafts, decreasing or even eliminating the human workload is one of the major research areas of aerospace industry and many R&D studies are available about flight control systems for this purpose. These studies are rlying on different control methods and high performance military aircrafts are just one of the application areas.  
Primary goal of this thesis is to contribute to the autopilot and flight control systems of the 5^th   generation fighter aircraft which will be the outcome of newly started and ongoing Turkish Fighter aircraft project (TF-X). For this purpose, as a high performance military aircraft, F-16 is chosen to design a flight control system.  The main reasons for choosing F-16 as the aircraft model in this thesis are its being in use in Turkish Air Forces and being in production in Turkey. Also, there are many resources available about F-16. Firstly, a nonlinear model of F-16 is built with using high fidelity aerodynamic database then trim conditions and linear model are obtained from the nonlinear model. After obtaining the linear model, a comparison and validation is done with the nonlinear model and both pilot suported and semi-autonomous flight control system are designed with using this linear model. Continuous time Generalized Predictive Control (CGPC) method is used as a control law. CGPC is a powerful control method which is based on prediction of the system output. The reason for choosing the CGPC method is that it is a high performance controller and easy to choose the controller paramaters to obtain a desired performance. 
All the flight controller designs are done with regard to criteria's about the flight quality, handling quality and military standards and a detailed analysis is perfomed with this respect. In order to reduce the pilot workload and also have successful missions, satisfying the handling criterias while designing flight controller is so important, especially for the manned aircraft. Moreover, controller designs must be done to  stay out of the PIO phenomenon which defines the mismatch between the pilot and the flight control system. So, flight control systems to support the pilot are designed with regard to these criterias.
With the designed controllers, aircraft lateral-directional and longitudinal stability are achieved and each controller tracking performance are analyzed for both time and frequency domains. To be able to make more realistic simulations, sensor models, actuator models and extra time delays associated with software and hardware, are added into the nonlinear model.