Stırlıng soğutuculu ve iki serbestlik dereceli bir kardan mekanizmasının gürbüz kontrolü
Robust control of a 2-dof gimbal mechanism integrated with stirling cooler
Yazar: HASAN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. ZAFER BİNGÜL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Kızılötesi görüntüleme sistemleri, gece ve gündüz ortam koşullarında görüntü alabilmesi açısından sivil ve askeri uygulamalarda sıklıkla tercih edilmektedir. Kızılötesi görüntüleme sistemlerinde sistemin daha yüksek görüş açısına sahip olabilmesi için yönlendirme mekanizmaları kullanılmaktadır. Bu mekanizmalar kardan mekanizması olarak adlandırılmaktadır. Kardan mekanizmaları ihtiyaca göre farklı yapılara ve farklı serbestlik derecelerine sahip olabilmektedir. Bu çalışmada iki serbestlik dereceli kardan mekanizması incelenmektedir. Kızılötesi görüntüleme sistemlerinin bazılarında ısıl gürültüleri azaltmak üzere kriyojenik soğutma ihtiyacı gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında görüntüleme sistemi Stirling soğutucu kullanılarak soğutulduğu bir durum incelenmektedir. Stirling soğutucu yapısında bulunan hareketli parçalar sebebi ile titreşime sebep olmaktadır. Kızılötesi dedektör ile Stirling soğutucuların yüksek vakum altında paketlenerek bir bütün olarak üretilmesi sebebi ile bu titreşimler titreşim yalıtıcılar ile pasif olarak sönümlenememektedir. Görüntüleme sisteminden alınan görüntülerin bulanıklaşma olmadan elde edilmesi için kardan mekanizmasında kullanılan kontrolcülerin bu titreşimlere karşı gürbüz olması beklenmektedir. Kardan mekanizmalarının kontrolü için birçok kontrol yöntemi kullanılmaktadır. Görüntüleme sistemine etkiyen dış bozucular sebebi ile kontrol sistemlerinde gürbüz yöntemler tercih edilmektedir. Bu çalışma kapsamında kardan mekanizması için PID, H ve çevrim kazancının şekillendirilmesi ile elde edilen çevrim şekillendiren kontrolcü tasarlanmaktadır. Tasarımı yapılan kontrolcülerin başarımları hem benzetim ortamında hem de gerçek zamanlı olarak test edilmektedir. Elde edilen sonuçlar zorlayıcı koşullar altında gürbüz kontrol yöntemleri olan H ve çevrim şekillendiren kontrolcülerin bozucu girişler altında daha iyi başarım sağladığı görülmektedir.

Abstract:
Infrared imaging systems are frequently prefered in civil and military applications due to its day and night operation capabilities. Steering mechanims are used in infrared imaging systems to get wider field of views. This mechanism is called gimbal mechanism. Gimbal mechanisms may have different configurations and different degree of freedoms according to the requierements. In this study, 2-DOF gimbal mechanism is investigated. In some infrared imaging systems, cyrogenic cooling is requiered to avoid thermal noises. The investigated infrared system is integrated with Stirling cooler. Stirling coolers vibrate cause of its moving parts. Infrared dedectors and coolers are assembled in high vacuum conditions and used one piece without disassembled. That's hy this vibration can not be isolated with passive vibration isolators. Controller used in gimbal mechanisms must be robust for this disturbances to get quality images without blur. There are lots of control methods used for gimbal mechanisms. Owing to external disturbances, robust control methods are prefered. PID, H and robust loopshaping controllers are designed for the gimbal mechanism in this study. Controllers designed are tested as a realtime application in addition to simulations. According to the results, robust controllers are well performed and more effective under disturbances.