F-16 savaş uçağı hareket modları ve karşılaştırmalı kontrol sistemleri (PID, LQR, SAS) tasarımı
Comparative control systems design with F-16 fighter aircraft motion modes and control systems (PID, LQR, SAS)
Yazar: ORHAN KARA
Danışman: PROF. DR. ELBRUS JAFAROV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Çalışmamızda F-16 savaş uçağı hareket modeli oluşturularak PID, LQR ve SAS kontrol sistemleri ile kontrol tasarımı ele alınmıştır. Çalışma kapsamında F-16 uçağının manevra halinde iken dinamik model tasarımı yapılmıştır. Oluşturulan dinamik model tasarımı grafikler ile görsel hale getirilmiştir. Modele belirtilen bir zamanda manevrayı olumsuz etkileyecek ve uçağın hareketini bozacak dış kuvvet eklemesi yapılmıştır. 
Savunma teknolojileri açısından çok yönlü savaş uçaklarına yapılacak sistemsel iyileştirmeler ve bu sistemsel iyileştirmelerin karşılaştırmaları tasarımcılar için büyük önem arz etmektedir. Özellikle F-16 gibi tüm dünya üzerinde hava sahası savunma ve hedef imha görevlerinde etkin olarak kullanılan bir uçakta yapılacak olan sistem karşılaştırmaları literatür için büyük bir gerekliliktir.
Bu kapsamda uçağın olağan dışı hareketi incelenmiş olup, uçağın bu etkiyi absorbe ederek etkilenmeden, manevrasına olağana en yakın şekilde devam etmesi amaçlanmıştır. 
Otonom uçuş bağlamında, bir kontrolörün rolü hava aracının yönlendirilmesi ve kontrol edilmesinde büyük bir öneme sahiptir. Kontrolör, otonom sistemin stabilitesini, navigasyonunu ve güvenliğini sağlamak için anlık kararlar almak ve ayarlamalar yapmakla sorumludur. Otonom uçuşun kontrolör açısından önemli olan bazı temel yönleri şunlardır; Stabilite ve kontrol, navigasyon ve yol planlama, dış faktörlere, yanıt hata toleransı, yer kontrolüyle iletişim, enerji verimliliği, düzenlemelere uygunluk. Özetle, kontrolör, ortamda gezinmek, değişen koşullara yanıt vermek ve insansız hava aracının genel güvenliğini ve verimliliğini sağlamak için gerekli zekayı ve uyarlanabilirliği sağlayan, otonom uçuş sistemlerinin kritik bir bileşenidir.
Bu amaç doğrultusunda, oluşturulan modeller için literatürde en çok çalışılmış kontrolcü yöntemleri araştırılmış, bu yöntemlerin nasıl entegre edilebileceği düşünülmüştür. Literatür taraması dahilinde, oransal-integral-türevsel olarak bilinen Proportional, Integral, Derrivative (PID), Lineer kuadratik regülatör olarak bilinen Lineer Quadratic Regulator (LQR) ve Stabilite Arttırma Sistemi (SAS) kontrol yaklaşımları ele alınmıştır. 
Ele alınan yöntemlerin matematiksel modelleri araştırılmış, uygulama alanları incelenmiş ve literatürde elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak kendi problemimiz için modellemesi yapılmıştır. 
MATLAB ortamında öncelikle uçağın hareket benzetimi, daha sonra PID, LQR ve SAS yöntemleri kullanımı ile benzetimi oluşturulmuştur. Oluşturulan benzetimler dahilinde, yapılacak kıyaslamalar için her iki modelin grafikleri çizdirilmiştir. Yine grafiklerde kontrolcülerin etkisinde oluşacak manevra hareketinin, olağan hareket ile farkını gösteren hata grafikleri de gösterilmiştir. Bunlara ek olarak, modellerin her bir adım zaman için, kontrol uygulaması yapılması halinde, adım cevap grafiği olarak adlandırılan Step response grafikleri de gösterilmiştir. Bu grafikler ile aynı zamanda, aynı hata oranına sahip manevra için belirtilen toleransta düzeltmenin ne kadar zamanda sağlanacağı gösterilmiştir. Bu bilgi ile kontrolcünün aralığı ve kontrolcünün davranış hızı ortaya konulmuştur. 
Çalışmanın son kısmında tüm elde edilen bilgiler kıyaslanarak hangi kontrolcü seçilmesi gerektiği açıklanmıştır. Elde edilen bilgiler doğrultusunda PID kontrol sisteminin manevra yapan bir F-16 uçağı için belirtilen koşullarda LQR kontrol sisteme kıyasla daha iyi düzeltme sağlayarak daha yüksek doğruluklu manevra kabiliyeti sunduğu anlaşılmıştır. Ayrıca LQR kontrol sisteminin PID ye kıyasla istenilen düzeltmeyi çalışılan her iki manevra değişkeni için de daha yavaş sağladığı gösterilmiştir. Bu kapsamda, bu alanda yapılacak gelecekteki çalışmalar için yol gösterici olması planlanan bir çalışma olması amaçlanmaktadır. Sonuç olarak, SAS, LQR ve PID farklı amaçlara hizmet etmektedir: Kararlılığı artırmak için SAS, doğrusal sistemlerde optimum kontrol için LQR ve çeşitli uygulamalarda çok yönlü düzenleme için PID. Seçim, kontrol edilen sistemin belirli özelliklerine ve gereksinimlerine bağlıdır.

Abstract:
In this thesis, endeavors focused on the development of a comprehensive motion model for the F-16 fighter jet, delving into the intricacies of control design through the exploration of PID, LQR, and SAS control systems. A pivotal aspect of our study revolved around the dynamic model design specifically tailored for the F-16 aircraft during maneuvers, with visualization aided by graphical representations. Simulating an external force at a predetermined time to emulate a disturbance during the maneuver, we meticulously scrutinized the aircraft's unconventional motion. Our overarching goal was to enable the aircraft to seamlessly continue the maneuver as close to its normal trajectory as possible, thereby mitigating the adverse effects of the external disturbance. 
In terms of defense technologies, system improvements to be made to versatile fighter aircraft and comparisons of these system improvements are of great importance for designers. Especially for an aircraft like the F-16, which is used effectively in airspace defense and target destruction missions all over the world, system comparisons are a great necessity for the literature.
The F-16 Fighting Falcon is a versatile single-engine, multi-role fighter aircraft developed by General Dynamics (now Lockheed Martin). First flown in 1974, it has become widely adopted by over 25 countries for its agility and adaptability. Originally designed for air-to-air combat, it evolved into a multi-role platform capable of air-to-ground and air-to-sea missions. The F-16 is equipped with advanced avionics, undergoes regular upgrades, and has been involved in numerous conflicts, demonstrating its combat effectiveness. With various variants, it continues to be a prominent and enduring presence in the global fighter aircraft landscape.
In the realm of autonomous flight, the role of a controller emerges as paramount, serving as the linchpin in guiding and managing the aircraft. Tasked with making real-time decisions and adjustments, the controller's responsibilities extend to ensuring the stability, navigation, and overall safety of the autonomous system. Crucial aspects of autonomous flight, which significantly impact the controller's role, encompass stability and control, navigation and path planning, fault tolerance in response to external factors, communication with ground control, energy efficiency, and regulatory compliance. Summarily, the controller assumes a critical role in autonomous flight systems, providing the intelligence and adaptability necessary to navigate the environment, respond to dynamic conditions, and uphold the safety and efficiency of unmanned aircraft.
PID control is a feedback control system that operates based on three main components - Proportional (P), Integral (I), and Derivative (D). The proportional term responds to the current error, the integral term addresses accumulated past errors over time, and the derivative term considers the rate of change of the error. This control system is widely used in industrial automation, process control, and robotics due to its simplicity, effectiveness, and adaptability. It allows for the precise regulation of a system's output by continuously adjusting the control input.
LQR is an optimal control algorithm designed for linear systems. It aims to minimize a quadratic cost function that incorporates both the system's state and control input. By determining optimal feedback gains, LQR ensures the most efficient control strategy. This method is particularly suitable for systems with well-defined linear models. LQR is commonly employed in control engineering scenarios where the system dynamics can be accurately represented by a linear model. Its effectiveness lies in providing an optimal trade-off between control effort and system performance.
SAS is a control system designed to enhance the stability of vehicles, particularly in aviation, spacecraft, and automotive applications. This system employs sensors to continuously measure the state of the vehicle and uses control surfaces or actuators to make real-time adjustments, ensuring stability under various conditions. SAS is crucial for mitigating undesired motions and improving overall handling characteristics. In aviation, for example, SAS plays a vital role in keeping an aircraft stable during flight, especially in turbulent conditions, contributing to both safety and comfort.
In summary, PID control offers simplicity and adaptability for various applications, LQR provides optimal control for linear systems, and SAS enhances stability in vehicles through real-time adjustments based on sensor inputs. Each control system has specific strengths and applications, catering to the requirements of different types of controlled systems.
To achieve our research objectives, an exhaustive review of widely studied controller methods in the literature was conducted, with a keen focus on the Proportional, Integral, Derivative (PID), commonly referred to as Proportional-Integral-Derivative (PID), Linear Quadratic Regulator (LQR), and Stability Augmentation System (SAS) control approaches. We meticulously examined the mathematical models, scrutinized their application areas, and tailored them to our specific problem based on literature findings. Subsequently, within the MATLAB environment, we simulated the airplane's motion and constructed simulations employing three PID, LQR, and SAS methods. Comparative graphical representations were generated within these simulations, providing a visual depiction of the distinctions between controlled maneuvering and regular motion. Error graphs were incorporated to elucidate the disparities influenced by the controllers.
Moreover, step response graphs, a staple in control applications, were presented for each step time, offering insights into the controllers' speed and efficacy in achieving correction within specified tolerance levels for the maneuver. This information provided a nuanced understanding of the controllers' performance characteristics, shedding light on their effectiveness in handling the specified maneuvers.
In the conclusive phase of our study, we presented a thorough comparison of all acquired information, revealing the PID control system's superiority over the LQR control system under the specified conditions. The PID system demonstrated a more effective correction for maneuvering F-16 aircraft, showcasing a heightened capability for accurate maneuvering. Emphasizing the LQR control system's comparatively slower achievement of desired corrections for both studied maneuver variables, the study underscored the importance of considering correction speed when selecting a controller for maneuvering applications. In conclusion, SAS, LQR, and PID serve distinct purposes: SAS for stability enhancement, LQR for optimal control in linear systems, and PID for versatile regulation in various applications. The choice depends on the specific characteristics and requirements of the controlled system.
This research aspires to serve as a guiding beacon for future endeavors in this domain, offering valuable insights into the comparative performance of PID, LQR and SAS control systems for maneuvering F-16 aircraft. Researchers and practitioners in the field can leverage these findings to make informed decisions on controller selection based on specific maneuvering requirements and prevailing conditions.