Kendinden ayarlamalı PID kontrolör ile iki eksenli gimbal uygulaması
Two axis gimbal application with self tuning PID control
Yazar: MURAT ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ ÇOLAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında "Kendinden Ayarlamalı PID Kontrolör ile İki Eksenli Gimbal
Uygulaması" kapsamında çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Gimbal, füzelerde arayıcı başlığın
hedefe kilitlenmesini ve takibini sağlayan ve üç eksende hareket kabiliyeti ile görüş açısını
artıran bir sistemdir. Füzenin hatasız bir şekilde hedefi takip etmesi için, gimbalin füzenin
dinamik gövde hareketinden bağımsız olarak stabilize edilmesi gerekmektedir. Hızlı ve
kesin bir şekilde hedefe kilitlenme ve bozucu etkenlere karşı takibini sürdürme füzenin
başarılı olması kapsamında çok kritik bir unsurdur. Endüstride, hızlı ve etkin kontrol
kapsamında, uzun yıllardır geleneksel PID kontrolcüler kullanılmaktadır. Fakat bu
kontrolcüler gimbal gibi içerisinde belirsizliklerin bulunduğu lineer olmayan uzay
teknolojilerinde başarılı olamamaktadır. Tez çalışmasında, lineer olamayan gimbal sistemi
kapsamında, katsayıları sürekli güncellenen kendinden ayarlamalı PID kontrolcüsü
geliştirilmiştir. Ayrıca gimbalin eksen kontrolüne yönelik daha hassas kontrol için herbir
eksen için ayrı ayrı sistem kimliklendirme çalışması yapılmıştır. Stabilizasyon algoritması
kapsamında içte eksen kontrolünde kaskad pozisyon-hız-akım kontrolcüsü ve dışta
kendinden ayarlamalı bulanık PID kontrolcüsünden oluşan çift döngülü bir kontrol sistemi
geliştirilmiştir. Füze uçuşunu simüle etmek amacıyla hazırlanan test sistemi ile
stabilizasyon algoritması gimbal üzerinde test edilmiştir. Farklı eksenlerde farklı bozucu
etkiler altında gerçekleştirilen testler sonucunda geliştirilen algoritmanın 0.1 dereceden çok
daha az hatayla stabilizasyonu başarıyla gerçekleştirdiği görülmüştür. Çalışmalar
kapsamında ayrıca PID katsayılarını çevrimdışı olarak hesaplayan "Parçacık Sürü
Optimizasyonu ile Eğitilen Yapay Sinir Ağları PID Kontrolcüsü" ve "Butterworth
Polinomu ile Katsayıları Hesaplanan Klasik PID Kontrolcüsü" tasarlanıp gerçek sistem
üzerinde test edilmiştir. Bu sayede kendinden ayarlamalı katsayılara sahip kontrolcü yapısı
ile sabit katsayılara sahip kontrolcü yapısının sistem üzerinde karşılaştırılması yapılmıştır.
Bu çalışmalar sonucunda çalışmalarda kullanılan iki eksenli gimbal sistemi kapsamında
kendinden ayarlamalı bulanık PID'nin etkin bir kontrol yöntemi olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, two-axis gimbal system application with self tuning PID controller is studied.
Gimbal is a system that provides seeker of the missile to lock to the target and follow the
target and increases seem angle with three axis motion capability. To follow the target with
no error, gimbal should be stabilized independent from the dynamic motion of the missile.
Precisely and speedly target-locking and following against the distortable effects are
critical for the success of the missile. In the industry, in the scope of the speedly and
effective control traditional PID controllers have been used for years. But these controllers
can not be successful in nonlinear space technologies like gimbal. In this study, in the
scope of nonlinear gimbal system, coefficients are constantly updated self tuning PID
controller has been developed. In addition, for more precise control on gimbal's axis
control, system identification work is made separately. In the scope of the axis stabilization
control algorithm, a double-loop control system consisting of cascade position-velocitycurrent
controller on axis control in the inside and self tuning fuzzy PID controller in the
outside has been developed. Missile flight test system to simulate the preparation was
tested on the gimbal stabilization algorithm. It has seen that the developed algorithm can
successfully stabilizate much less than 0,1 degrees of error under different disturbance
effects in different axis. In the scope of the studys "Artificial Neural Network PID
Controller Trained with Particle Swarm Optimization" and "Butterworth polynomials with
coefficients calculated Classic PID Controller" was designed and tested on the real system.
Thus, the controller structure with self controlling coefficients and the controller structure
with constant coefficients are compared on the set up of the system. As a result of these
studies, it is seen that, in the scope of two axis gimbal system used in the studies, self
tuning fuzzy PID is an effective control method.