Bu tez çalışması dönerkanatın dinamik modelinin türetimi, gerçek zamanlı yapının tasarımını ve aracın kontrolünü içermektedir. Bölüm 1.2.5’de bahsedilen olumlu özellikleri dolayısıyla dönerkanat kontrolü özellikle son yıllarda dünyada ve ülkemizde üzerinde çalışmaya değer önemli projelerden biri olmuştur. Bu sebeple çeşitli üniversite ve kurumlar tamamen kendilerinin tasarladığı veya hazır prototipler üzerinde çalışmalarını yürütmekte, çeşitli yeni yöntemler sunmayı amaçlayarak literatüre katkıda bulunmaktadır. Bu tez çalışması, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi İnsansız Hava Araçları laboratuarında tasarlanmış olan bir dönerkanat prototipinin kararlılığını ve belirli bir konumda kalmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Dönerkanat sistemi kontrolünün gerçekleştirilebilmesi için dinamik model türetiminin doğru şekilde yapılması önem taşımaktadır. Modellemenin doğru şekilde yapılması sayesinde benzetim çalışmaları esnasında geliştirilen kontrol yöntemleri kısa bir uyarlama işleminin ardından gerçek zamanlı sisteme uygulanabilmektedir.
Dinamik modelin türetimindeki amaç sistem analizinin ve kontrolünün doğru şekilde yapılabilmesi için dönerkanata ait güvenilir ve gerçekçi bir matematiksel ifadenin elde edilmesidir. Bu sebeple projede dönerkanat dinamik model çıkarımı Newton- Euler yöntemi izlenerek yapılmış ve literatürde yer alan dönerkanat modelleriyle karşılaştırılarak doğrulanması amaçlanmıştır.
Dönerkanat dinamik modeli birçok araştırmacı tarafından irdelenmesine rağmen, dinamik modelin önemli bir parçası olan eyleyici itki modellemesi üzerinde fazla durulmamıştır [21]. Proje kapsamında tasarlanan kontrolörlerden en iyi verimin alınabilmesi için itki modellemesinin yapılması kaçınılmazdır. Benzetimler esnasında kontrolör tarafından üretilen sinyaller dinamik modele uygulanmaktadır ancak fiziksel sistemde aracın kontrol girişleri darbe genişliği modülasyonu19 (DGM) sinyalleri olduğundan kontrolör ve model kısımlarının uygun şekilde ayrıştırılması gerekmektedir. Bu kapsamda tezde sınırlı güç kaynakları tarafından beslenen eyleyicilerin yapay sinir ağları tarafından modellenmesi ve olumsuz etkilerin bertaraf edilmesi üzerinde de durulmaktadır.
Tezde yer alan bir diğer önemli kısım ise dönerkanat gerçek zamanlı yapı tasarımıdır. Gerçek zamanlı tasarımdaki amaç çeşitli kontrol yöntemlerinin uygulanabileceği türetilen dinamik modele yakın bir dönerkanat yapısının hazırlanmasıdır. Dönerkanat sisteminin, pervanelerin kaldırabileceğinden fazla ağırlıkta inşa edilmemesi ve kontrolör performansını düşürücü bozucu etkilerden kaçınarak üretilmesi gerekmektedir.
Kontrol yöntemleri, ilk olarak dinamik modellemesi Newton-Euler yöntemiyle çıkarılan dönerkanat sistemine Matlab/Simulink® ortamında uygulanmış ve bir kısmı gerçek zamanlı düzenekte denenmiştir. Dönerkanat kontrolü için göz önünde bulundurulan yöntemler sırasıyla klasik oransal integral türevsel (PID) kontrol, kayan kipli kontrol, geriadımlamalı kontrol ve geribesleme ile doğrusallaştırma kontrol yöntemleridir.
PID kontrol üç farklı terimden oluşan hızlı ve kolay şekilde geribeslemeli bir kontrol mekanizması tasarlanmasına olanak vermektedir. PID kontrol yönteminin temelinde yatan ana fikir hata, hatanın değişimi ve hatanın toplamından meydana gelen kontrol sinyali oluşturmaktır. Literatürde PID kontrol üzerinde çok sayıda çalışma bulmak mümkündür ve endüstride kullanılan denetleyicilerin pek çoğunun PID kontrol türevi olduğu bilinmektedir. PID kontrol yönteminin verimini arttırmak için birçok yaklaşım bulunmaktadır. Bunlardan en dikkat çekenleri integral terimindeki doyum
sorununun antiwindup yaklaşımıyla çözülmesidir. Diğer bir yaklaşım ise türev terimindeki türev tekmesi20 yani referans sinyalindeki ani değişimlerin kontrol sinyaline de yansıması sonucu sistemin kararsızlığa sürüklenmesinin önüne geçmeyi amaçlamaktadır [22]. PID kontrol yöntemi her ne kadar tasarımcıya sistem kontrolü hakkında kolaylık sağlasa da özellikle doğrusal olmayan sistemlerin kontrolünde her zaman yüksek verim elde edilememektedir. Bu sebeple tasarımcılar istenilen performans ölçütlerine ulaşabilmek için doğrusal olmayan kontrol yöntemlerine de yönelmektedir. Kayan Kipli Denetim (KKD) sıklıkla kullanılan doğrusal olmayan kontrol yöntemlerinden biridir. KKD’de felsefe, hata terimi ve hata teriminin türevinin oluşturduğu faz uzayında çekim merkezi orijinde yer alan kararlı alt uzay oluşturulmasına dayanmaktadır. Başka bir deyişle sistem gezingelerinin bu belirli alt uzayda kalmaları sağlandığında hata üstel olarak orijine yakınsamaktadır. Anahtarlamalı hiperyüzey olarak adlandırılan bu alt uzayla ilgili başka bir ilginç noktaysa işaret ve benzeri fonksiyonları kontrol sinyali olarak kullanan iki taraflı karar mekanizmasının sınırı olduğudur [23]. KKD’nin en büyük avantajı dönerkanat alt seviye kontrolünde sıkça karşılaşılan bozucu etkenlere ve modellenmedeki hatalara karşı gürbüz olmasıdır. Bu sebeple son zamanlarda araştırmacılar tarafından sıklıkla üzerinde durulmaktadır [24]. Proje kapsamında dönerkanat kontrolünde yer verilen diğer bir doğrusal olmayan yöntem ise geriadımlamalı kontroldür [25]. Geriadımlamalı kontrol yöntemi, doğrusal olmayan sistemlerin indirgenemez alt sistemlerinin, kararlılık analizinde kullanılan Lyapunov fonksiyonları yardımıyla sistematik şekilde kararlı hale getirilerek kontrol edilmesi temeline dayanmaktadır. Denetleyici tasarımı Lyapunov teoremiyle kararlılığı bilinen alt sistemden başlamakta ve Lyapunov fonksiyonları yardımıyla her bir dış alt sistem dışarıdan uygulanan kontrol terimine ulaşıncaya kadar kararlılaştırılmaktadır [26]. Son olarak geribesleme ile doğrusallaştırma kontrol yöntemi ele alınmıştır. Bu yöntem doğrusal olmayan geribesleme yardımıyla doğrusal olmayan bir sistemi doğrusallaştırma temeline dayanmaktadır [27-29]. Doğrusal model elde edildikten sonraysa doğrusal kontrol yöntemleri uygulanarak sistem kararlı duruma getirilmekte ve istenilen gezingeleri takip etmesi sağlanmaktadır.
20
Bu tez çalışmasında geçen konular şu şekilde düzenlenmiştir: İkinci bölüm dönerkanat dinamik modelinin türetilmesi ve itki eyleyici modellemesinin yapay sinir ağları tarafından gerçekleştirilmesini anlatmaktadır. Üçüncü bölüm geliştirilen kontrol yöntemlerinin benzetimler yardımıyla çıkarımı yapılan dinamik modele uygulanmasını ele almaktadır. Bunlar sırasıyla PID kontrol, KKD, geriadımlamalı kontrol ve geribeslemeli doğrusallaştırma yöntemleridir. Dördüncü bölümdeyse gerçek zamanlı kontrol çalışmaları yer almaktadır. Gerçek zamanlı tasarlanan dönerkanat yapısı üzerinde çeşitli kontrol yöntemleri denenmiştir.