Bir uzaktan kumandalı sualtı aracı için doğrusal olmayan kazanç katsayısını kullanan kontrolcü tasarımı
Controller design using nonlinear gain coefficient for a remotely operated underwater vehicle
Yazar: YAVUZCAN VURAL
Danışman: PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Doğrusal olmayan dinamiğe sahip uzaktan kumandalı sualtı araçları, yüksek hassasiyetle yörünge takibi yapan ve özellikle akıntı gibi dış bozucu girdilerin olduğu ortamlarda çalışması gereken sistemlerdir. Bundan dolayı, sualtı araçları için kontrolcü tasarımı yapılırken seçilecek yöntem kritik öneme sahiptir. Kontrolcü hem yüksek hassasiyetle çalışmalı hem de dış bozuculara karşı direnç göstermelidir. Bu nedenle, araştırmacılar sualtı araçları için kontrolcü tasarımı yaparken genellikle gürbüz kontrol yöntemlerini tercih etmektedirler. Bozucu etkiler karşısında direnç gösteren ve hızlı sistem cevaplarının elde edilmesini sağlayan gürbüz kontrol yöntemlerinden biri de bölgesel özdeğer atama yöntemidir. Bu çalışmada da literatürde yer alan bir uzaktan kumandalı sualtı aracını ve tasarımı daha önce yapılmış olan bir mini uzaktan kumandalı sualtı aracını kontrol etmek için bölgesel özdeğer atama yöntemi kullanılarak doğrusal olmayan kontrolcü tasarımı yapılmıştır. Bölgesel özdeğer atama yönteminde, oluşturulan durum geri besleme kontrol kuralı ile kapalı çevrim sistem matrisinin özdeğerleri tüm çalışma zamanı boyunca tanımlanan bir bölge içine yerleştirilmektedir. Bu yaklaşımın en önemli avantajı, tanımlanan bölgenin değiştirilmesi ile sistemin kararlılığın arttırılabilmesi ve istenilen sistem cevaplarının elde edilebilmesidir. Buna ek olarak, özdeğerlerin içine yerleşeceği bölge tanımlanırken farklı geometrilerin kullanılabilmesi kontrolcü tasarımında esneklik sağlamaktadır. Bu çalışmada, kontrolcü tasarımında kolaylık sağladığı için disk geometrisi kullanılmaktadır ve doğrusal olmayan dinamiğe sahip üç serbestlik dereceli sualtı araçlarının kapalı çevrim sistem matrislerinin özdeğerlerini, her zaman adımında, tanımlanan disklerin içine yerleştirilmesini sağlayacak şekilde kontrol kuralı oluşturulmaktadır. Yöntemin etkinliğini göstermek için yapılan benzetim çalışmalarında, sualtı araçlarının üç eksende aynı anda verilen referans yörüngelerini takip etmesi istenmektedir. Önerilen yaklaşım ile üç serbestlik dereceli sualtı araçlarının yörünge takibinde başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Benzetim sonuçlarında, istenilen sistem cevapları görülmektedir ve kapalı çevrim sistem matrislerinin özdeğerleri her zaman adımında tanımlanan disklerin içine yerleşmektedir.

Abstract:
Remotely operated underwater vehicles with nonlinear dynamics track trajectories with high precision and must operate in environments with external disturbances, especially currents. Therefore, the method to be chosen when designing a controller for underwater vehicles is critical. The controller must operate with high precision and be resistant to external disturbances. For this reason, researchers generally prefer robust control methods when designing controllers for underwater vehicles. The regional eigenvalue assignment method is one of the robust control methods resistant to disturbances and provides fast system responses. In this study, a nonlinear controller design was made using the regional eigenvalue assignment method to control a remotely operated underwater vehicle in the literature and mini remotely operated underwater vehicle that has been designed before. In the regional eigenvalue assignment method, the eigenvalues of the closed-loop system matrix are placed within a defined region throughout the entire run time with the established state feedback control rule. The most important advantage of this approach is that by changing the defined region, the system's stability can be increased, and the desired system responses can be obtained. In addition, the ability to use different geometries when defining the region in which the eigenvalues will be located provides flexibility in controller design. In this study, disk geometry is used because it allows for convenience in controller design, and control law is created to ensure that the eigenvalues of the closed-loop system matrices of three-degree-of-freedom underwater vehicles with nonlinear dynamics are placed inside the defined disks at each time step. In the simulation studies, the underwater vehicles must simultaneously follow the reference trajectories given on three axes to demonstrate the method's effectiveness. With the proposed approach, successful results were obtained in the trajectory tracking of three-degree-of-freedom underwater vehicles. In the simulation results, the desired system responses are seen, and the eigenvalues of the closed-loop system matrices are placed within the disks defined at each time step.