Yüksek hızlı kamera yönlendirme sistemleri için kontrolcü tasarımı ve uygulaması
Controller design and implementation for high speed camera pointing and tracking systems
Yazar: BURAK EREN BİRİNCİ
Danışman: PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCI ; DOÇ. DR. BÜLENT ÖZKAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Denetim sistemleri = Control systems ; Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Riccati denklemi = Riccati equation

Özet:
Hızlı dinamik değişimlere ve doğrusal olmayan bozucu etkilere maruz kalan füze arayıcıları, hava araçları gibi elektro-optik faydalı yüke sahip kardanlı sistemler için gürbüzlük ve kararlılık önemli başarım parametreleridir. Uzun yıllar bu sistemler için dinamik modellerin doğrusallaştırılması ve geleneksel kontrol algoritmaları kullanımı tercih edilmiştir. Değişken yapılı kontrolcü yaklaşımı ise modern kontrol yöntemleri arasında doğrusal ve doğrusal olmayan sistemler için yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu çalışmada doğrusal olmayan sistemler için değişken yapılı kontrol yöntemleri önerilmiştir. Bu kapsamda teorem ve ispatlarıyla birlikte üç yeni yöntem önerilmiştir. Bunlardan ilki model referans kayan kipli kontrol yönteminin birim vektör yaklaşımı ile birleştirilerek durum bağımlı olarak türetilmesidir. Yöntem çok girişli çok çıkışlı sistemleri de kapsayacak şekilde tanımlanmıştır. İkinci olarak tek girişli sistemler için önerilen kayan sektör kontrol yöntemi ele alınmaktadır. Kayan kipli kontrolden farklı olarak bu yöntem sistemin kayma yüzeyi etrafında yer alan kararlı bir bölgeye yönlendirilerek kontrol edilmesine dayanır. Burada önerilen yeni kontrol algoritmasında tek girişli sistemler için durum bağımlı sektör tasarımı yapılmış, sektör ve yüzeyin durum bağımlı değişiminden kaynaklı etki de kontrol girişine eklenmiştir. Son olarak literatürde tek girişli tek çıkışlı sistemler için geliştirilmiş olan kayan sektör yaklaşımı norm temelli sektör tasarımı yaklaşımı ile çok girişli çok çıkışlı doğrusal olmayan sistemlere uygulanabilir bir hale getirilmiştir. Önerilen yeni kayan sektör kontrol yöntemi model referans yaklaşımı temel alınarak tasarlanmıştır. Önerilen üç yöntemde de doğrusal olmayan dinamik modeller durum değişkenlerine bağımlı olarak çözülmüştür. Böylece kontrol algoritması dinamik sistemin durum değişkenlerinde meydana gelen doğrusal olmayan değişimlerine uyum sağlamıştır. Önerilen yöntemlerin benzetimlerde ve gerçek zamanlı testlerde başarımının incelenmesi için kardanın doğrusal olmayan dinamik modelleri türetilmiştir. Yapılan gerçek zamanlı testlerde başarılı sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
Robustness and stability are important performance parameters for gimballed systems with electro-optical payload, such as missile seekers and aircraft, which are exposed to rapid dynamic changes and non-linear disturbance effects. Linearization of dynamic models and the classical control algorithms have been used for these systems for a long time. The variable structure controller approach is widely preferred for linear and non-linear systems among modern control methods. In this study, variable structure control methods are proposed for nonlinear systems. In this context, three new methods have been proposed with their theorems and proofs. The first of these is the state dependent derivation of the model reference sliding mode control method by combining it with the unit vector approach. The method is defined for multi-input and multi-output systems. Secondly, a sliding sector control method for single-input systems is proposed. Unlike the conventional sliding mode control, this method is based on controlling the system by directing it to a stable region around the sliding surface. In the new control algorithm proposed here, a state-dependent sector design has been created for single-input systems by including the effect of state-dependent changes in the sector and surface into the control input design. Finally, the sliding sector control, which was developed for single-input, single-output systems in the literature, has been extended to multi-input, multi-output nonlinear systems with a norm-based sector design approach. The proposed sliding sector control method is designed based on the model reference approach. In all three proposed methods, nonlinear dynamic models are solved dependent on state variables. Thus, the control algorithm has adapted to the nonlinear changes in the state variables of the dynamic system. Nonlinear dynamical models of gimbal are derived to examine the performance of the proposed methods in both simulations and real-time tests. Successful results have been obtained in real-time tests.