Kesirli mertebeden kontrolör analizi ve tasarım
Analysis and design of fractional order controller
Yazar: HAKAN ERSOY
Danışman: PROF. DR. UMUT ENGİN AYTEN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLIHAN ÖZAKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik hız kontrol sistemi = Electronic speed control system ; Fırçasız motor sürücüleri = Brushless motor drives ; Sayısal elektronik = Digital electronic ; İnsansız su altı aracı = Remotely operated vehicle

Özet:
Bu çalışma, kesirli dereceli PID (FOPID), diğer bir deyişle FOPID denetleyicilerin analizi ve tasarımı ile bunların çeşitli mühendislik uygulamalarındaki potansiyelini kapsamlı bir şekilde ele almaktadır. İlk olarak, kesirli kalkülüsün tarihsel gelişimi ve temel matematiksel prensipleri irdelenerek, klasik türev ve integral kavramlarına kıyasla sağladığı esneklik ve genişletilmiş bakış açısı ortaya konmuştur. Bu yaklaşım sayesinde, sistem dinamiklerini daha gerçekçi biçimde modellemek mümkün hale gelmekte ve geleneksel yöntemlerin ötesinde bir kontrol hassasiyetine ulaşılabilmektedir.FOPID kontrolörlerin geleneksel PID kontrolörlere göre en büyük avantajlarından biri, parametre ayar aralığındaki artıştır; bu, beklenmeyen bozucular veya sistem parametrelerindeki belirsizlikler altında dahi kararlı ve duyarlı bir kontrol performansı elde etmeye olanak tanımaktadır. Araştırma kapsamında sualtı motorları (T200), BLDC motorları ve PMSM motorları gibi farklı yapıya sahip sistemlerde yürütülen deneysel çalışmalar, kesirli dereceli yaklaşımların, kararlılık ve doğruluk açısından klasik PID tabanlı kontrolörlere kıyasla üstün olduğunu göstermiştir. Genetik algoritmalar ve parçaçık sürüsü optimizasyonu gibi ileri seviye sezgisel yöntemlerin kullanımı, FOPID  kontrolör parametrelerinin otomatik ve etkili bir şekilde belirlenmesini sağlayarak sistem tepkisinde kayda değer iyileşmeler sağlamıştır. Ayrıca, bu yaklaşım enerji verimliliği ve sistem güvenilirliği gibi kritik ölçütlere de olumlu katkı yaparak uzun vadeli operasyonel performansın artmasına yardımcı olmaktadır. Bu bağlamda kesirli dereceli kontrol yaklaşımı, özellikle karmaşık ve yüksek performans gerektiren mühendislik uygulamalarında umut vadeden bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Çalışma, hem teorik altyapıya hem de pratik uygulamalara ışık tutarak, modern mühendislik problemlerine karşı daha hassas, esnek ve uyarlanabilir çözümler geliştirilmesi açısından önemli bir kaynak işlevi görmektedir.

Abstract:
This study provides a comprehensive exploration of fractional-order PID (FOPID) controllers, commonly referred to as FOPID , and evaluates their potential across diverse engineering applications. Initially, it delves into the historical evolution and core mathematical principles of fractional calculus, underscoring the flexibility and broadened perspective it offers relative to classical differentiation and integration concepts. Consequently, system dynamics can be modeled more accurately, enabling enhanced control precision beyond what traditional methods typically achieve. Among the foremost advantages of FOPID controllers over standard PID controllers is their expanded parameter tuning range, which ensures stable and responsive control even under unexpected disturbances or parameter uncertainties. Experimental investigations involving underwater thrusters (T200), BLDC motors, and PMSM motors reveal that fractional-order methods surpass classical PID-based controllers in terms of stability and accuracy. By employing sophisticated heuristic techniques such as genetic algorithms and particle swarm optimization, FOPID  controller parameters can be tuned in an automated and highly effective manner, resulting in notable improvements in system response. Furthermore, this approach positively contributes to key measures like energy efficiency and system reliability, thereby supporting long-term operational performance. As a result, fractional-order control emerges as a highly promising strategy, particularly in complex engineering scenarios requiring elevated performance and robust adaptability. By bridging theoretical underpinnings with practical implementations, this study offers valuable insights for developing more precise, flexible, and adaptive solutions to contemporary engineering problems, serving as an essential reference for both academic research and industrial applications.