Lineer olmayan sistemler için dayanıklı kontrol sistem tasarımı
Robust control system design for non-linear systems
Yazar: YAKOUB NETTARI
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN KURT ; DR. MOUSSA LABBADI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dört rotorlu sistemlerin harici bozucuların varlığı altında kontrol edilmesi, karmaşık ve zorlu bir araştırma alanıdır. Literatürde çok sayıda kontrol tekniği önerilmiş olmasına rağmen, geleneksel yöntemler genellikle hassas izleme ve zamana göre değişen bozuculara karşı dayanıklılık elde etmekte yetersiz kalmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, bu doktora tezinde dört ana kontrol metodolojisini entegre eden yeni bir hibrit dayanıklı kontrol tekniğinin geliştirilmesine odaklanılmaktadır: dayanıklı PID kayan kipli kontrol, geri adımlama, adaptif yasa ve süper bükümlü kontrol (STC). Bu hibrit kontrol stratejisi, karmaşık ve zorlayıcı yörüngeler içeren zorlu senaryolarda bile hassas ve sonlu zamanlı izleme sağlamayı amaçlamaktadır.
Tez öncelikle, sistem dinamikleri, bozucular ve belirsizliklerle ilgili sorunlar gibi dört rotorlu kontrolünde karşılaşılan zorlukları ve sorunları özetleyerek, dayanıklı kontrolün bu zorlukları ele almak için gerekliliğini savunmaktadır. Geleneksel kayan kipli kontrol (SMC), geri adımlama ve diğer tekniklere genel bir bakış sunarak avantajlarını ve dezavantajlarını vurgulamaktadır. SMC ve geri adımlama yöntemlerinin her ikisinin de, dinamikleri nonlineer (lineer olmayan) olan ve zamana göre değişen sistemleri ele alma yeteneği gibi avantajları vardır. Ancak, SMC'deki çatırtı sorunu ve geri adımlama yöntemindeki modelleme hatalarına ve belirsizliklere duyarlılık gibi dezavantajları da vardır. Bu nedenle tezde, sözü edilen bazı sorunlardan kaçınmak ve her iki yöntemin avantajlarından yararlanmak için modifiye edilmiş PID SMC ve geri adımlamayı birleştiren hibrit bir yaklaşım önerilmektedir.
Geri adımlamalı dayanıklı PID kayan kipli kontrol hibrit kontrol çerçevesine entegre edilerek, nonlineerlikleri ele almak ve harici bozucuların etkilerini azaltmak amaçlanmıştır. Kayan kipli kontrol tekniği, doğasında bulunan dayanıklılık özellikleri sayesinde bozuculara aktif olarak karşı koyarken, geri adımlama yaklaşımı sistem genelinde kararlılık ve izleme doğruluğu sağlayan bir kontrolör tasarlamayı mümkün kılmaktadır. Bu hibrit yaklaşımın (BPIDSMC) ana yeniliği, dönme ve ötelenme alt sistemleri için referans konum ve yönelimi sonlu zamanda dayanıklı bir şekilde izleyip kararlı hal doğruluğunu artıran iyileştirilmiş erişimli geri adımlama PID kayan kipli yüzeylerinin geliştirilmesidir.
Ayrıca, adaptif yasa, sistemin dinamiğine ve değişen harici bozuculara göre kontrolör parametrelerini adaptif olarak ayarlamak için kullanılır. Bu adaptif özellik, kontrol sisteminin dayanıklılığını artırır ve belirsizliklerin varlığında doğru yörünge izleme yapılmasını sağlar.
Süper Bükümlü Kontrol (STC) tekniği, istenen yörüngeye sonlu zamanda yakınsama sağlamak için dâhil edilmiştir. STC, hızlı yakınsama özellikleri ve yüksek derecede dinamik sistemleri ele alabilme yeteneği ile tanınır. STC'nin hibrit kontrol çerçevesine entegre edilmesiyle, dört rotorlu sistemi zorlu manevralar sırasında bile hızlı ve hassas bir şekilde yörüngeyi izleyebilir.
Gerçekleştirdiğimiz kapsamlı simülasyonlar, önerilen yaklaşımın etkinliğini doğrulamakta ve geleneksel kontrol tekniklerine göre üstünlüğünü göstermektedir. Sistem, zamana göre değişen harici bozuculara karşı Dayanıklılık sergilemekte ve çok çeşitli zorlu yörüngeler için doğru izleme sağlamaktadır.
Özetle, bu araştırma, zamana göre değişen harici bozucuların oluşturduğu zorluklarla başa çıkmak için adaptif ayarlama, geri adımlamalı dayanıklı kayan kipli kontrol ile süper bükümlü kontrolü birleştiren bir hibrit kontrol stratejisi ortaya koyarak dört rotorlu kontrol alanına katkıda bulunmaktadır. Geliştirilen kontrol metodolojisi, hava robotiği, gözetim ve taşımacılık gibi çeşitli alanlarda uygulamalar için umut vaat etmektedir.

Abstract:
Controlling quadrotors in the presence of external disturbances is a complex and challenging research area. Despite the numerous control techniques proposed in the literature, conventional methods often fall short of achieving precise trajectory tracking and robustness against time-varying disturbances. To address these challenges, this doctoral thesis focuses on the development of a novel hybrid robust control technique integrating four key control methodologies: robust PID sliding mode control with backstepping, adaptive law, and super twisting control (STC). This hybrid control strategy aims to achieve precise and finite-time trajectory tracking even in challenging scenarios involving complex and demanding trajectories.
Firstly, the thesis outlines the difficulties and challenges of quadrotor control, including issues related to system dynamics, disturbances, and uncertainties. It argues that robust control is necessary to handle these challenges and provides an overview of conventional SMC, backstepping, and other techniques, highlighting their advantages and disadvantages. The advantages of both SMC and backstepping are highlighted, including their ability to handle systems with nonlinear and time-varying dynamics. However, they also have their disadvantages, such as the chattering problem in SMC and sensitivity to modeling errors and uncertainties in backstepping. The thesis proposes a hybrid approach that combines modified PID SMC and backstepping to provide the benefits of both methods and avoid some of the aforementioned problems.
The robust PID sliding mode control with backstepping is integrated into the hybrid control framework to handle nonlinearities and mitigate the effects of external disturbances. The sliding mode control technique actively counteracts disturbances through the robustness properties inherent in the technique, while the backstepping approach enables the design of a controller that ensures stability and tracking accuracy throughout the system. The main innovation of this hybrid (BPIDSMC) approach is the development of improved reaching backstepping PID sliding mode surfaces for the rotational and translational subsystems, which robustly monitor the reference position and attitude in finite time and improve steady-state accuracy.
Furthermore, the adaptive law is used to adaptively adjust the controller parameters based on the system's dynamics and varying external disturbances. This adaptive capability enhances the control system's robustness and ensures accurate trajectory tracking in the face of uncertainties.
The Super Twisting Control (STC) technique is incorporated to achieve finite-time convergence to the desired trajectory. STC is known for its rapid convergence properties and its ability to handle highly dynamic systems. By integrating STC into the hybrid control framework, the quadrotor system can achieve rapid and precise trajectory tracking, even during challenging maneuvers.
Extensive simulations validate the effectiveness of the proposed approach, demonstrating its superiority over conventional control techniques. The system exhibits robustness against time-varying external disturbances and achieves accurate trajectory tracking for a wide range of challenging trajectories.
Overall, this research contributes to the field of quadrotor control by introducing a hybrid control strategy that integrates adaptive tuning, robust sliding mode control with backstepping, and super twisting control to address the challenges posed by time-varying external disturbances. The developed control methodology presents promising prospects for applications in various fields, including aerial robotics, surveillance, and transportation.