Bir kara platformu üzerinde konumlandırılmış iki eksenli anten sisteminin kararlılaştırılması ve hassas takip denetimi
Stabilization and precise tracking control of a 2-axis antenna system mounted on a ground vehicle
Yazar: ORHAN GÜRBÜZ
Danışman: DOÇ. DR. BÜLENT ÖZKAN ; DR. GALİP SERDAR TOMBUL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bir kara platformu üzerine konumlandırılmış iki eksenli anten yönlendirme sisteminin dolaylı yöntem ile kararlılaştırılması ve takip denetimi problemi ele alınmıştır. Anten yönlendirme sisteminin sinüzoidal yol profili ile A ve B sınıfı sürüş koşullarında model belirsizlikleri ve dengelenmemiş kütle gibi bozucu etkiler altındayken 0,2° hata sınırı içinde kalarak çalıştırılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, ilk önce mekanik aksamın dinamik modelini elde etmek için Euler-Lagrange yöntemi kullanılmıştır. Yandönüş kardanı üzerine kurulu yükseliş kardanı türündeki yönlendirme mekanizmasının kinematik denklemleri türetilmiştir. Denetim sistemi kurulurken öncelikle oransal, tümlevsel ve türevsel (İng. proportional, integral, and derivative, PID) işlemi esaslı tek çevrimli denetim sistemi tasarlanmıştır. Ayrıca daha yüksek başarımlı farklı bir denetim sistemi tasarlamak amacıyla hesaplamalı tork yöntemiyle geribesleme doğrusallaştırması yapılmış ve bozucu etkileri baskılamak için doğrusal olmayan bozucu gözleyici yapısı kullanılmıştır. Doğrusal hale getirilen sistemin kapalı çevrim denetimi için sırasıyla oransal ve türevsel (İng. proportional and derivative, PD) işlemli ve iç içe oransal (İng. proportional, P)- oransal ve tümlevsel (İng. proportional plus integral, PI) işlemli geribesleme çevrimleri uygulanarak iki farklı iki çevrimli denetim sistemi tasarlanmıştır. Denetim sisteminde faz telafisi hız ve ivme ileri beslemesi yapılarak gerçekleştirilmiştir. İvme değerleri dönüölçer ile ölçülen açısal hızların klasik Kalman filtresinden geçirilerek durum tahmini yöntemiyle elde edilmiştir. Tasarlanan analog denetim sistemi dolaylı tasarım yöntemiyle sayısal denetim sistemine çevrilmiştir. Sistem kararlılığını denetlemek için kutup sıfır yerleşimleri elde edilmiştir. Bunu yaparken denetlenen sistemin sayısal eşdeğeri sıfırıncı mertebeden tutucu dönüşümü yöntemiyle elde edilmiştir. Aracın açısal hızını ölçmek için dönüölçer, motor açısını ölçmek için kodlayıcı modeli oluşturulmuştur. MATLAB yazılımı ve bu yazılımın SIMULINK modülü aracılığıyla yapılan bilgisayar benzetimleri ile tasarlanan denetleyicilerin başarımları ölçülmüştür. Sonuç olarak, tasarlanan denetleyicilerin tanımlanan koşullar altında istenen başarım şartlarını sağladığı gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, the problem of indirect stabilization and tracking control of a two-axis antenna gimbal system mounted on a mobile ground platform was discussed. It was aimed to operate the antenna gimbal system within the 0.2° error limit under disturbances like model uncertainties and unbalanced mass while applying sinusoidal, Class A and Class B motion profiles. In this purpose, the Euler-Lagrange method was used to obtain the dynamic model of the mechanical assembly. The kinematic equations of the gimbal mechanism configured as elevation over azimuth were derived. Firstly, single-loop PID (proportional, integral, and derivative) position controllers were designed separately for each axis neglecting cross coupling effects. After that, to synthesize another control system with higher performance the feedback linearization was realized by applying the computed torque method and a nonlinear disturbance observer was implemented to suppress the effect of disturbances. Also, to end up with closed-loop control of the linearized system, two different two-loop control systems were designed PD (proportional plus derivative) and P-PI (proportional-proportional plus integral) cascaded control. In the control system, phase compensation was performed by making speed and acceleration feedforward. Angular accelerations were obtained from the angular velocities measured with a gyroscope by the state estimation known as classical Kalman filter. The digital counterpart of the analog controllers was designed with the emulation approach. Pole-zero locations were obtained to check stability of digital control system consist of emulated controller and zero order hold transform of the sampled data system. To measure the angular speed of the vehicle a gyroscope model and to measure the motor angles an encoder model was created. The performance of the designed controllers was illustrated via computer simulations using MATLAB software and SIMULINK module. As a result, it has been observed that the designed controllers provide the desired performance criteria under the defined conditions.