Uçuş kontrol dinamiklerinin analizi ve kutup atamaya yönelik kontrolör tasarımı
Analysis of the flight control dynamics and the design of pole assignment controllers
Yazar: KUTLUHAN KÜRŞAT ÇANDIR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Uçuş kontrolü Kontrol Mühendisliği'nin en önemli konularından birisidir. Bu çalışma temel olarak sabit kanatlı bir hava aracının farklı nümerik methodlar kullanılarak kutup atama yöntemiyle bir uçuş kontrol algoritmasının geliştirilmesini ve bu metodlar arasındaki farklılıkların incelenmesini içermektedir. Bu çalışmada sırasıyla hava aracının aerodinamik yapısından, hava aracına etkiyen kuvvet ve momentlerden, kuvvet ve hareket denklemlerinin seçilen bir denge noktası üzerinden lineerleştirilmesinden, yanal ve boylamsal uçuş modlarından ve durum uzay denklemlerinden, nümerik metodlardan ve kutup atama metoduyla kontrolcü tasarımından bahsedilmiştir.

Çalışmada hava aracına ait kuvvet ve moment denklemleri çıkartılmıştır. Bu denklemler Small-Disturbance Teorisi kullanılarak belirlenen denge koşulu için lineerleştirilmiştir. Elde edilen denklemler bu noktadan sonra boylamsal sistem ve yanal sistem olmak üzere kırılmıştır. Durum uzay denklemleri bulunan boylamsal sistemin alt modları olan Phugoid ve Short Period modlarına ait denklemler çıkartılmış ve sistemin açık çevrim cevabı analiz edilmiştir. Aynı şekilde yanal sistemin alt modları olan Roll, Spiral ve Dutch Roll modlarına ait denklemler çıkartılmış ve sistemin açık çevrim cevabı analiz edilmiştir. Elde edilen durum uzay denklemlerine Schur ve Hessenberg faktorizasyon yöntemleri uygulanmış elde edilen güncel sistem matrisleri üzerinden kutup atama yöntemiyle durum geribeslemeli kontrolörler tasarlanmıştır. Bulunan kazanç matrisleriyle birlikte döngü kapatılmış ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir.

Bu çalışma ayrıca 2 serbestlik derecesine sahip bir helikopter için sembolik kutup atama metodunu içermektedir. İnsansız hava araçları ve insansız hava araçlarının konrolü yaygın bir araştırma alanıdır. Gelecek on yıl bu araçların kontrol mükemmeliğini belirleceka ve günlük hayatımızdaki rolü artacaktır. İnsansız rotorlu sistemlerin başlıca avantajları belirli bir irtifaya çıkabilme, hareket edebilme ve yüksek çeviklikle manevra yapabilmeleridir. Çok rotorlu hava araçları veya konvansiyonel helikopterinin kontrolü ve durum geri beslemeli kontrol ile ilgili birçok çalışma olmasına rağmen, bu yöntemlerin kombinasyonunu dikkate alan çalışmalar nadirdir. Bu çalışma, iki serbestlik dereceli konvansiynel helikopterin kutuplarını atamayı amaçlamaktadır. Burada kullanılan kutup yerleştirme yöntemi tam durum geri beslemedir. Böylece çok giriş çok çıkışlı bir sistem için helikopterin modeli, kontrol yönteminin aşamaları açıklanmış ve kapalı çevrim sistem için simülasyon yapılmıştır. Çıktılar ve kararlılık analizi çalışmanın etkinliğini göstermektedir.

Abstract:
Flight control is one of the most important issues of Control Engineering. This study mainly involves the development of a flight control algorithm with a pole assignment method using different numerical methods and examining the differences between these methods for a fixed-wing aircraft. In this study, they are discussed from the aerodynamic structure of the aircraft, the forces and moments acting on the aircraft, the linearization of force and motion equations over a selected equilibrium (trim) point, lateral and longitudinal flight modes and state space equations, numerical methods and controller design with the pole assignment method. 

In the study, the force and moment equations of the aircraft were equated. These equations are linearized for the trim condition determined using the Small-Disturbance Theory. Then, the equations were reduced as longitudinal system equations and lateral directional system equations. The equations of Phugoid and Short Period, which are the sub-modes of the longitudinal system with state space equations, were obtained and the open-loop response of the system was analyzed. The equations of Roll, Spiral and Dutch Roll modes, which are sub-modes of the lateral system, were obtained and the open-loop response of the system was analyzed. Schur and Hessenberg factorization or decomposition methods are applied to the space space equations were obtained. The loop was closed with the gain matrices found and the results obtained were discussed. 

This study also includes a symbolic pole assignment method for a helicopter with 2 degrees of freedom. Unmanned air vehicles and their control is a popular research field. The next decade will determine the control perfection of this vehicles and their role in our daily lives will increase. The major advantages of the unmanned rotor systems can be given as their ability to hang on a particular altitude and their manoeuvre agility to move and escape. Whereas there are many studies of control of drones, quadrotors or conventional helicopter as well as full rank state feedback method, the studies considering combination of these methods are rare. Even in symbolic case it is either not detailed so that it can easily be followed and applied or missing. This study aims to assign the poles of two degree of freedom conventional helicopter. The pole placement method used here is full rank state feedback. Thus, the helicopter model for multi input multi output systems is explained, the stages of the control method are described and they are simulated with in Mathematica. The outputs and stability analysis illustrates the effectiveness of the study.