LEE- Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19360

Gözat

Improved fuzzy logic based edge detection method on clinical images

(Graduate School, 2022-01-07) Çelen, Murat Mert ; Üstoğlu, İlker ; 504191145 ; Control and Automation Engineering

Signal processing is the main field combining electrical engineering and mathematics, used to analyze digital and analog signals. Signal processing deals with the storage, compression, filtering and other processing of signals. These signals can be sound signals, image signals, and other signals. Nowadays images are essential thing for many area. Images can be used in space researches, military applications, marine workings, automotive industry, environment, agriculture and medical science. The area where the signal type is processed is that the input is an image, and the output is also an image, which is called image processing. Image Processing is one of the main research area in the disciplines of computer science and engineering. Image processing is a methods which performs operations on an image, on account of get an information from image. The progress of image processing are improved by the help of: the development of technology, the development of discrete theory, the demand for a pretty wide range of applications. It can be divided into digital and analog image processing. Image processing for analog images is used for hard copies of photos. Digital image processing uses computers to process digital images. Image processing has various kind of application such as sharpening, blurring, contrast adjustment, and edge detection etc. Edge detection is helpful for applications in the fields such as fingerprint matching, medical diagnosis, license plate detection, biomedical imaging, pattern recognition and machine vision. Edge detection technique makes the high intensity valued pixels visible. Edge detection is a compelling assignment. When edge detection must be applied to noisy images, it becomes more difficult. The idea of fuzzy logic helps to get rid of this problem with expert knowledge. The concept of fuzzy logic was first proposed in the 1960s by Professor Lütfi Aliasker Zade in Berkeley. Lütfi Aliasker Zade is committed to translating natural language into computer language, but it is not easy to translate into computer language terms 0 and 1. Zade proposed a shape of polyvalent logic within which the truth valuation of variables is also any real number between 0 and 1 whereas classical logic theory is utilizing with values false or true. Fuzzy logic can be summarized as predicated on the observation that individuals make decisions supported vague and non-numerical information. Fuzzy models are numerical implies of speaking to dubiousness and uncertain data. These models have the inclination of deciphering and controlling information and information that are non-certain. Additionally, it's conceivable to characterize linguistic variables like brief, exceptionally brief, long, or exceptionally long with fuzzy logic. Lütfi Zade's proposed theory fuzzy logic has been applied to various fields such as robotics, artificial intelligence, modeling and controlling system which is nonlinear or digital image processing. These fields used type-1 fuzzy logic until Prof. Lütfi A. Zade presented type-2 fuzzy logic in 1975. Fuzzy logic's type-2 theory was improved for uncertainties and non-linearity due on type-1 fuzzy rules, it shows fuzzy logic frameworks on type-2 are more fruitful than fuzzy logic frameworks on type-1 to unravel vulnerabilities. Be that as it may, working with fuzzy logic frameworks on type-2 are distant more advanced than working with fuzzy logic frameworks on type-1. In this thesis we will talk about a type-1 edge detection with fuzzy logic implementation for medical brain images, with the assistance of digital image, and digital image processing. This thesis gives you the performance comparison of widely used edge detection methods and improved edge detection with fuzzy logic method with interpreting digital images with the help of image enhancement and restoration and performing operations on images such as blurring, contrast adjustment. Different sources of digital images will be tested and results for each source will be provided.
Robotic fish for monitoring water pollution

(Graduate School, 2022-02-01) Ansari, Mohammed Javed ; Doğan, Mustafa ; 504161131 ; Control and Automation Engineering

The vast majority of the earth's surface is covered by water. Some parts of the ocean are so deep that even Mount Everest would be lost into them as if it never existed. Water bodies, irrespective of fresh or salty, big or small, all of them host some of the most unique ecosystems. Mankind is known to have set its sails into the oceans for time immemorial now. But it has only been possible in recent years that they have dived inside by the means of HOVs, ROVs, and AUVs. And still, most of it remains unexplored. Every living thing from a unicellular amoeba to Antarctic blue whales including every single plant needs water to survive. Otherwise, the earth would be as barren as any other planet known so far. The key to fact that life exists on the earth is water. But unfortunately, the amount of garbage of all kinds being dumped into the sources of water pollutes them and in a long run adversely affects and endangers the living things on planet earth. As our very existence depends on water, it's indispensable to monitor and take essential steps to preserve the water quality accordingly. Not only does water avail a sustainable condition for the terrestrial inhabitants, but also is a habitat to a huge number of species within. One of the most well-known species among these aquatic animals is fish. In this work, a brief study of types of fishes along with their structural definition is carried out to determine how they propel and swim in the water with their fin and then eventually use the discoveries to biomimetically design and implement a robotic fish capable of exploring water and taking certain readings with inbuilt sensors. The thus obtained readings can be used to monitor water. The robotic fish here tries moving in the water replicating the motion behaviors of a fish. This study consists of 5 different parts. Chapter 1 provides a brief introduction of the whole idea and the classification of fish according to their swimming behavior. Fishes swim in the water using their fins. They use their fins to produce a propulsive force that pushes them forward. Depending upon which part of the fish and how it pulsates fishes can be categorized into different classes. These classifications help study fishes better. A detailed categorization on the basis of various grounds is further discussed in this chapter. A common approach to classify fishes is based on the modes of propulsion that a fish applies while swimming i.e. whether undulatory or oscillatory methods of generating propulsive forces. These two categories of fish swimming modes are BCF (body and/or caudal fin) locomotion, and MPF (median and/or paired fin) locomotion. A thing common in these modes of propulsion is that the caudal fins play the most important role in producing the propulsive force generation. In this study, a "Carangiform & Fusiform" model has been adapted for replication. The first chapter also gives a brief description of "Biomimetics" along with some of its popular applications in various fields. Later in this chapter, the overall implementation of this work has been mentioned. Chapter 2 discusses works of a similar kind. It also comprises the methods used in other similar works. The caudal fin drive mechanism can be of single, multiple, or compliant type. It is already known that the caudal fin plays the most important role in swimming and maneuvering. And the stiffness of the joint that connects the caudal fin to the body of the fish is equally important for efficient swimming. Unlike other similar works, Turfi uses a single joint method with a soft caudal fin. The outer cover of Turfi was designed using SolidWorks. The 3D model was later printed using a 3D printer. The outer body of Turfi was divided into 2 halves while designing. The first half enclosed all the electronics (including the SD card module, battery, sensors, processor, and driver circuits) and the motors. The pectoral fins are controlled using micro servo motors that help Turfi in maneuvering and the caudal fin is driven using a dc motor attached to a reduction mechanism. The other half of Turfi is the caudal tail and its mechanism that creates the oscillatory motion in the caudal fin by the means of the dc motor. The caudal fin drive mechanism converts the rotary motion of the dc motor to oscillatory motion. The front enclosure part was 3D printed using Polylactic Acid (PLA) because of its stiffness. The posterior i.e., the caudal fin was made using Thermoplastic Polyurethane (TPU). TPU is best known for flexibility. Making the caudal fin with TPU gives the caudal fin a soft and flexible structure thus making the propulsion wavy and smooth. The ESP32 used as the processor is also embedded with a WiFi module. ESP32 is programmed to create an Async WiFi server. The asynchronous server allows Turfi to take the readings and store them on an SD card even when offline. And when connected can deliver all the data collected at once. This helps Turfi to navigate and collect data irrespective of its connection to the base station. Turfi while navigating underwater takes the sensor readings and stores them into an SD card. After the completion of navigation, Turfi resurfaces and connects with the base station using WiFi and sends all the readings made during the navigation. Turfi later. These readings can be accessed using an IP provided by ESP32. These details are discussed in Chapter 3. As this study progressed further it was seen that Turfi can be programmed in various ways to accomplish different tasks. In the 4th Chapter, the results of two different tests are included. In the first test, Turfi was programmed to take readings at a certain depth (i.e., 20cm). A PID controller using PID Library by Brett Beauregard was used to track the depth based on the readings from the depth sensor. The second test was similar to the first one except that Turfi was instructed to take left and right turns. 5th Chapter concludes this work by describing the complexity of multi-fin locomotion underwater. It also briefly explains how Turfi can be developed in order to accomplish further. Upgrades such as a camera to record underwater, sensors to measure pH, oxygen level, salinity, etc. can be attached to Turfi. These sensors can help Turfi monitor underwater in a more detailed way. An exit mechanism is also proposed in this section. The exit mechanism would help Turfi resurface in case the battery is below a certain level or once the navigation is complete. Once atop, the whereabouts of Turfi can be known using GPS. There have been works of similar nature done priorly. But most of them tend to focus on a descriptive analysis of the swimming behavior of a fish and then replicating it. In this work, the scope has been slightly widened by adding the sensors to make required readings. One major hindrance similar to the ones of previous works i.e., limitation to wirelessly communicate well is experienced while working on this project as well. Thus, a different approach is applied in this study. In this approach, Turfi is instructed to follow a certain navigation route. While navigating underwater, Turfi also stores the sensor readings on an SD card. These data can be retrieved wirelessly from Turfi over WiFi. Thus, obtained data can be used for further processing.
Zaman gecikmeli sistemler için kural kaydırma tabanlı bulanık mantık kontrolör tasarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-01) Ateşova, Müge ; Güzelkaya, Müjde ; 504171136 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği ; Control and Automation Engineering

Zaman gecikmeli sistemlerin kontrolü pratikte en çok karşılaşılan kontrol problemlerinden biridir. Literatürde bu kontrol problemi üzerine pek çok çalışma ve uygulama bulunmaktadır. Zaman gecikmeli sistemlerde karşılaşılan sorunların temeli sistemden gözlenen bilginin geçmişe ait olmasına dayanmaktadır. Bu durumun kontrolör tarafından algılanması mümkün olmadığı için başarısız sonuçlara neden olabilmektedir. Probleme temel bir bakış açısıyla yaklaşmak gerekirse, kontrol sistemine giren bilginin geçmiş zamana ait olması durumunda bunun algılanıp duruma göre bir ayarlama yapılmasının soruna çözüm olması beklenir. Bulanık mantık kontrol yapıları üzerine yapılan çalışmalardan bazıları kontrolörün katsayılarını değiştirmeden kural tabanının kaydırılması ile zaman gecikmesinin sistem yanıtı üzerindeki olumsuz etkilerinin azaltılabileceğini göstermiştir. Sistem modelleri elde edilirken sahip olabilecekleri zaman gecikmesinin dikkate alınmış olması gerekir. Ancak zaman gecikmesinin gerçekte modelde bulunan değerinden farklı olduğu durumlar ile karşılaşılabilir. Bu durumda kontrol sisteminden beklenilen başarım elde edilemez. Bu çalışmada, ölü zamanın modelde bulunan değerinden daha az veya daha fazla olduğu durumlar için modele göre belirlenmiş bulanık mantık PID kontrolörünün kural tablosu değiştirilmiştir. Bu işlem sırasında bulanık kontrolör kural tablosu satırları uygun miktar ve yönlerde kaydırılmıştır. Kural tablosunun düzenlenmesinin etkisini görebilmek adına çalışmalar boyunca her bir sistem modeli için bulanık mantık kontrol katsayıları genetik arama algoritması yardımıyla belirlenmiştir. Genetik arama algoritması için arama kriteri zaman ağırlıklı hata karelerinin toplamı (ITSE) olarak seçilmiştir. ITSE kriteri aynı zamanda sistemin farklı kural tabanları ile başarımını incelemek için de kullanılmıştır. Ayrıca, sistemdeki zaman gecikmesinin değişmesi durumuna kontrol yönteminin bu değişime bağlı olarak uygun kural tabanını kullanabilmesi için öz-ayarlamalı kural tabanı yöntemi önerilmiştir. Bu amaçla sistem modelinde var olan zaman gecikmesinin çeşitli değişimleri için uygun olan kural tabanları belirlenmiştir. Bu kural tabanları arasında, belirlenen zaman gecilmesine bağlı olarak geçiş yapabilen bir kontrol yapısı kurulmuştur. Öz ayarlamalı kontrol yapısı, kural tabanı kaydırılmamış bulanık mantık kontrol yöntemi ve zaman gecikmesi bilinen sistemler için belirlenmiş olan kural tabanı kaydırılmış bulanık mantık kontrol yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen ITSE değerleri tablolar halinde verilirken, sistem yanıtları grafik halinde gösterilmiştir. Tahmin edilebileceği gibi zaman gecikmesi bilinen sistemler için uygun kural tabanı kaydırması ile elde edilen kontrol sistemlerinin benzetim sonuçları öz-ayarlamalı kontrol yönteminin uygulandığı zaman gecikmesi bilinmeyen sistemlerin benzetim sonuçlarından belirlenen başarım kriterine göre daha başarılı olmuştur. Fakat, çizelge ve grafikler göstermektedir ki öz-ayarlamalı kontrol yöntemi ile kural tabanı kaydırılmamış bulanık mantık kontrol yöntemini kıyaslandığında öz-ayarlamalı kural tabanı yapısı daha başarılı olmuştur.
Bulanık PID kontrolörlerinin çıkış üyelik fonksiyonlarını çevrimiçi ayarlanma yöntemi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-10) Delibaş, Mehmet ; Güzelkaya, Müjde ; 504191119 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği

Lotfi Zadeh 1965 yılında bulanık küme mantığını geliştirmiştir. Bulanık küme teorisi klasik mantığa belirsizlik katmaktadır. Böylece hayatta karşımıza çıkan birçok belirsizlik içeren problemin çözümünü de kolaylaştırmaktadır. Bulanık küme mantığı kontrol alanına ilk olarak 1975 yılında uygulanmıştır. Daha sonraki yıllarda araştırmacılar tarafından oldukça önemli bir çalışma alanı haline gelmiş ve endüstride bulanık kontrolörlerin kullanımı arttırmıştır. Geleneksel PID kontrolör tekniklerinin doğrusal sistemlere karşı başarılı bir şekilde uygulanmasına rağmen karmaşık ve belirsiz sistemler üzerindeki etkisinin yetersizliğinden dolayı bulanık kontrolörler oldukça cazip bir hale gelmiştir. Literatürde geleneksel bulanık PID kontrolörlerin başarımını geliştirmek amacıyla çeşitli yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemler kontrolör parametrelerini çevrimiçi ayarlamaya dayalı yöntemlerdir. Ayar parametreleri olarak giriş ve çıkış ölçekleme katsayıları, bulanık kurallar, üyelik fonksiyonlarının parametreleri ve bulanık kural ağırlıkları kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, ilk olarak, Karasakal ve diğ. (2011) tarafından önerilen hata tabanlı çevrimiçi bulanık kural ağırlıklandırma yöntemi ele alınmıştır. Bu yöntemde, hatanın pozitif büyük ve hatanın değişiminin negatif olduğu bölgede kullanılan sabit bir katsayı serbest parametre olarak seçilmiş ve çeşitli değerler verilerek analizi yapılmıştır. Daha sonra Xu ve Shin (2005) tarafından önerilen bulanık kontrolörün çıkış üyelik fonksiyonlarının merkezini ayarlayan yöntem ele alınmıştır. Bu yöntemde, çıkış üyelik fonksiyonlarının merkezini ayarlamak amacıyla bulanık yapıda bir ayar mekanizması bulunmaktadır. Bu ayar mekanizmasının kendi giriş ve çıkış üyelik fonksiyonları ve kural tablosu bulunmaktadır. Çalışmamızda ikinci olarak bu çıkış ayarlama mekanizması kural tablosunda bulunan bazı parametreler serbest parametre olarak değerlendirilmiş ve bu parametrelerin analizi yapılmıştır. Son olarak hata tabanlı çevrimiçi bulanık kural ağırlıklandırma yöntemi ile bulanık kontrolörün çıkış üyelik fonksiyonlarının merkezini ayarlayan yöntem birleştirilmiştir. Birleştirilmiş yöntemin etkinliği geleneksel bulanık PID kontrolör yöntemi, hata tabanlı çevrimiçi bulanık kural ağırlıklandırma yöntemi ve bulanık kontrolörün çıkış üyelik fonksiyonlarının merkezini ayarlayan yöntem ile karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler MATLAB/SIMULINK ortamında doğrusal ve doğrusal olmayan sistemler üzerinde yapılmış ve irdelenmiştir.
Duruma bağlı Riccati denklemi (SDRE) temelli kontrol yöntemi ve SDRE'nin yaklaşık çözümü

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-13) Demirci, Hafsa Ceren ; Gören Sümer, Leyla ; 504181116 ; Control and Automation Engineering

Doğrusal olmayan sistemlerin kontrolünde karşılaşılan asıl zorluk, optimal ve uygulanabilir bir kontrol kuralının elde edilmesidir. Bir sistemin kontrolü için belirlenen amaç ölçütünü minimum yapan optimal kontrol kuralı, Hamilton Jacobi Bellman (HJB) yöntemiyle elde edilir. Ancak, doğrusal olmayan veya yüksek boyutlu sistemler için kısmi diferansiyel denklemler içeren HJB ifadesini çözmek zordur ve kesin çözümü bulmak mümkün olmayabilir. Bu sebeple, HJB denklemlerini çözmekten kaçınmak için pek çok çalışma yayınlanmıştır. Karesel amaç ölçütüne sahip doğrusal ve zamanla değişmeyen sistemler için HJB denklemi, cebirsel Riccati denklemine dönüşür ve kontrol problemi "Doğrusal Karesel Regülatör (Linear Quadratic Regulator, LQR)" olarak adlandırılır. Doğrusal olmayan kontrol yöntemlerinin aksine, LQR teorisi oldukça pratiktir ve karesel amaç ölçütüne sahip doğrusal sistemler için son derece basit bir geri beslemeli optimal kontrol kuralı sunar. Ancak çok sayıda sistem doğrusal değildir. Sistemlerin çalışma aralıklarına bağlı olarak doğrusallaştırma yapılabilir. Ancak doğrusal olmayan özellikler; sistemin yapısal özelliğidir ve doğrusallaştırma sonucu, önemli ve faydalı olabilecek bu özellikler kaybolur. Bahsedilen bu bilgiler ışığında, düşük boyutlu doğrusal olmayan sistemler veya karesel amaç ölçütlü doğrusal sistemler için optimal kontrol kuralının elde edilebildiği söylenebilir. Bu noktada "Duruma Bağlı Riccati Denklemi (State Dependent Riccati Equation, SDRE)"; LQR teorisini temel alan, sistemin doğrusal olmayan özelliklerini göz önünde bulunduran, sistematik tasarım adımlarına sahip, esnek bir kontrol yöntemi olarak karşımıza çıkar. SDRE yöntemi; kontrolör tasarımında, sistemin doğrusal olmayan özelliklerinin korunmasına imkan tanır. Ayrıca, sistem dinamiği üzerinde karşılanması kolay olan koşullara sahiptir ve bu sayede çok çeşitli doğrusal olmayan sistemlere uygulanabilir. SDRE kontrol yöntemi; doğrusal olmayan dinamikleri, bir durum vektörü ve duruma bağlı katsayılı matris değerli fonksiyonlarla çarpanlara ayırır. Bu çarpanlara ayrılmış gösterim, tek bir biçimde değildir ve kapalı çevrimli sistemin performansını arttıracak bir gösterim seçilebilir. SDRE yönteminde, kontrol sinyalini hesaplamak için her adımda cebirsel Riccati denklemi çözülür. HJB'nin çözümü ile elde edilecek optimal kontrol kuralı yerine, SDRE yaklaşık optimal bir kontrol kuralı sunar. Bu nedenle, istenen amaç ölçütü yaklaşık olarak minimum yapılır ve performanstan feragat edilmiş olur. Ancak SDRE yöntemiyle; gerçek zamanlı uygulamaya izin veren, uygulanması kolay ve yaklaşık optimal bir kontrol kuralı elde edilir. SDRE kontrol kuralı, sistemi noktasal kararlı yapan bir kontrol kuralıdır. Her adımda cebirsel Riccati denklemi çözülerek inşa edildiği için, kontrol kuralının açık ifadesi bilinmez. Oysa, kontrol kuralının ifadesi, kararlılık analizinde vazgeçilmezdir. Bu noktada, her adımda Riccati denkleminin çözülmesinden kaçınmak ve SDRE kontrol kuralının analitik bir ifadesini elde edebilmek için bir yöntem önerilmiştir. Buna göre, kontrol işaretinin inşasında kullanılan SDRE'nin çözümünü yaklaşık şekilde ifade edebilecek, birbirine benzer iki algoritma sunulmuştur. Bu sayede çözüm, sistemin durumlarına bağlı olarak analitik şekilde ifade edilebilmiş ve SDRE yöntemindeki hesaplama yükü hafifletilmiştir. Bu yaklaşık çözüme göre hesaplanan kontrol kuralının sınanması için literatürde çokça kullanılan araba-sarkaç sistemi ve manyetik kaldırma sistemi kullanılmıştır. SDRE'nin yaklaşık çözümüne bağlı sonuçlar ile standart çevrimiçi SDRE sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonuçta, yaklaşık çözüm ile hesaplanan kontrol kuralı ile standart SDRE'ye oldukça yakın bir performans elde edilmiştir.
Robotik süreç otomasyonu için iş çizelgeleme algoritması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-22) Doruk, Gülşah ; Erol, Osman Kaan ; 504171112 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği

Son yıllarda gelişen teknoloji çözümleri geçmişte insanlar tarafından yürütülen bir çok iş sürecinin otomatikleşmesini sağlamıştır. Robotik Süreç Otomasyonu ile yazılım robotları bir çalışanı taklit ederek önceden tanımlanmış zaman ve emek alan ancak katma değeri düşük ve tekrarlı işleri tamamlayabilmektedir. Bankacılık ve finans, sigortacılık, sanayi ve üretim, e-ticaret, enerji ve kamu, müşteri hizmetleri, telekomünikasyon gibi bir çok farklı alan robotik süreç otomasyonunun uygulama alanıdır. Robotik süreç otomasyonunda kısıtlı sayıda bulunan robot kaynağının optimum şekilde kullanılması da süreçlerin otomatikleşmesini ve hızlanmasını sağlayan bu yazılım çözümünün verimliliğine katkı sunacaktır. Bu tez çalışmasında robotik süreç otomasyonu için kaynak tahsis süreci bir iş çizelgeleme problemi olarak ele alınmıştır. İş çizelgeleme belirli bir zaman aralığında kısıtlı miktardaki kaynağın bir ya da daha fazla amaç fonksiyonunu en iyilenmesime çalışılarak tahsis edilmesi sürecidir. Bu problemlerde genellikle temel amaç daha az kaynak kullanımı ile daha kısa sürede işlerin tamamlanmasıdır. Çizelgeleme ile her bir işin hangi kaynak ya da kaynaklar tarafından tamamlanacağına ve işlerin hangi sırayla yapılacağına karar verilir ve işlerin tahmini başlangıç ve bitiş zamanları hesaplanır. Tez çalışmasında robotik süreç otomasyonu için kaynak tahsisi problemi çok amaçlı bir optimizasyon problemi olarak modellenmiştir. Amaç fonksiyonları robotlara atanan iş miktarının en çoklanması ve toplam zaman maliyetinin en azlanması şeklinde belirlenmiştir. Amaç fonksiyonları arasında leksikografik sıralama yapılmış ve sırası ile amaç fonksiyonları en iyilenmeye çalışılmıştır. Robotlar tarafından tamamlanması beklenen süreçler arasında öncelikle sezgisel deterministik bir yöntem ile atama önceliği sıralaması yapılmıştır. Süreçlere bu sıralama ile kaynak tahsisi yapılmıştır. Daha sonra ise stokastik bir komşuluk arama yaklaşımı olan Tek Atlamalı Büyük Patlama Büyük Çöküş algoritması kullanılarak iterasyonlar boyunca daha iyi bir atama önceliği sıralaması aranmıştır. Algoritmanın etkinliğinin değerlendirilmesi amacıyla gerekli parametreleri girdi olarak alan probleme uygun simülasyon veri üreticisi oluşturulmuştur. Algoritmanın stokastik yapısı sebebiyle simülasyon verileri ile tüm koşumlar 100 kez tekrarlanmıştır ve grafiklerde verilen sonuçlar tüm koşumların ortalamasını yansıtmaktadır. Başlangıç ataması ile birinci aşama ve ikinci aşama çözümlere ait sonuçlar grafiksel olarak sunularak karşılaştırma yapılmıştır.
Functional safety for heavy-duty transmissions

(Graduate School, 2022-09-22) Bozdağ, Konuralp Tevfik ; Üstoğlu, İlker ; 504191117 ; Control and Automation Engineering

The number of electrical and electronic equipment and software used in vehicles is increasing day by day. Apart from passive safety precautions for these hardware and software used, now active precautions are also taken. While the seat belt was a passive safety measure in the first years when vehicles became a necessity for the society, many software and hardware measures are now taken for the safety of the driver and passengers. Thanks to the autonomous transportation, the driver's place in transportation is decreasing, while his safety and security are gaining more and more importance. A system or piece of hardware must operate appropriately in accordance with the system's inputs in order for functional safety to be a component of the overall safety framework. To put it another way, functional safety refers to the capacity to recognize potentially dangerous circumstances and to trigger a protective or corrective device or mechanism to stop the development of hazardous events or to lessen their potential effects. The only means for the driver to act in an emergency while driving an automobile is to press the brake pedal. However, thanks to the software created thanks to functional safety, accidents can be prevented by intervening to the vehicle faster than the driver in an unexpected situation. Electrical, electronic, and programmable electronic everything is determined within the framework of certain rules and steps, functional safety analyzes and safety levels within the purpose of the IEC 61508 standard. Functional safety is included in the ISO 26262 standard group, being customized for the automotive sector. The ISO 26262 standard series describe how software and hardware for an automotive should be developed in certain road conditions and accident situations. In this thesis, the subject of functional safety will be examined in the automatic transmission system used in heavy vehicles. Today, due to globalization and the increase in consumer needs, logistics and transportation sectors gain more importance. Transportation is of great importance in these sectors and heavy vehicles have a large share in this sector. Trucks, trucks, etc., for both the safety of people and the transportation of products without any damage. It is important that vehicles are safe and secure. Among the working subjects of the automotive industry, the transmission software and designs of heavy-duty vehicles have an important value. The heavy-duty transmission to be analyzed is an automated manual transmission, with 16 forward and 4 reverse gears. Gear shifts are not only with synchromesh, but also by using 3-stage actuators, more combinations are created with less gears, and a lighter transmission is designed than expected. However, functional safety becomes more important in heavy-duty vehicles that have more hardware and software in terms of software and hardware. Because, in heavy-duty vehicles, the gearbox not only provides regular and desired torque transmission, but also fulfills different duties depending on the service type. Therefore, safety analyzes and created scenarios are investigated in more detail. In this research, firstly, the safety analysis of the heavy-duty vehicle was carried out according to the ISO 26262 standard group. In order to make a more detailed examination as the system where the safety analysis will be made, the system limits have been determined as automatic transmission and actuators. Then, the problems that may arise in the vehicle and transmission are considered and it is determined what kind of dangers may occur. Considering these hazards, hazard and risk analysis has been made for specific scenarios. What kind of safety goals should be taken against the hazards that may arise because of the hazard and risk analysis and how long it should take are defined in the functional safety concept. The analysis made was examined in detail and the safety requirements were established for the transmission software. The safety targets and requirements that emerged as a result of the safety analyzes were tested in the simulation environment. By means of model-based software, a dynamic model of the heavy-duty vehicle is created, and simple transmission algorithms are demonstrated. By creating virtual hazards and scenarios in Matlab & Simulink environment, vehicle models with and without functional safety software are compared.
Trajectory tracking control of a quadrotor with reinforcement learning

(Graduate School, 2023-01-23) Çakmak, Eren ; Doğan, Mustafa ; 504181134 ; Control Engineering

Drone control algorithms are usually broken down into several steps. The innermost parts of a drone control algorithm are angle and angular velocity control loops. Whether it is fixed-wing or rotary-wing, these control loops conventionally consist of PID based controllers. Although a PID controller can control these loops successfully, it may not lead the outer loops to desired positions or velocities. An outer loop designed to manage these situations can be done with conventional controller loops. However, these kinds of controllers are heavily model-dependent and often require tuning. Motivated by this situation, the aim of the presented study is to show that reinforcement learning based algorithms can control a quadrotor drone without prior knowledge of the model. The most preferred model-free reinforcement algorithms in the literature are DDPG, TRPO, and PPO. The studies that use state-of-the-art reinforcement learning methods for quadcopter control are compared, and it is concluded that PPO is the best choice to begin with. An actor-critic neural network for PPO-clip, the most successful version of PPO, is built and trained on a custom Gym environment. The environment is a quadrotor model that covers fundamental dynamics. This study is composed of six chapters. In the first chapter, motivation of research and literature review are given. In the second chapter, the theoretical background to construct a quadrotor model is given, and a general picture of reinforcement learning and model-free algorithms is drawn. In the third chapter, a custom simulation environment using the features of Gym library is designed. Then, the neural network based controller is designed, in the fourth chapter. Next, the agent is trained in the custom environment, in the fifth chapter. The simulation results of hovering and trajectory tracking tests are given. In the last chapter, it is concluded that a model-free reinforcement learning-based neural network without any additional control loop can control a quadrotor, and possible future works for this study are discussed.
Fuzzy logic based clutch torque curve detection algorithm for heavy duty vehicles

(Graduate School, 2023-01-24) Cantürk, Ogün ; Üstoğlu, İlker ; 504191124 ; Control and Automation Engineering

In this thesis, a fuzzy logic-based clutch torque curve learning algorithm is proposed as the second method to eliminate the mentioned disadvantages. The torque curve can be determined with this method without the necessity for any specific maneuver and activation conditions. Using a reference point on the curve, the fuzzy logic-based algorithm determines the position value corresponding to the reference point with respect to different clutch temperatures and the first torque transfer points. In this study, 581 Nm was chosen as the reference point. The fuzzy logic theory was introduced by L. A. Zadeh in 1965. Since then, it has been utilized in numerous fields, including the automotive, transportation, robotics, and chemical industries. The theory basically transforms the relationship between concepts into linguistic rules and permits expert opinions and experiences to be incorporated into system models. Fuzzy controllers consist of three main parts: fuzzifier, rule-based inference engine, and defuzzifier. Mamdani and Takagi-Sugeno type of fuzzy controllers are the most commonly used. MATLAB-Simulink was used for simulation studies. First of all, the conventional algorithm model was developed. The activation conditions, timer, and curve calculation functions used in the model are mentioned in detail. Secondly, two different fuzzy controllers, Takagi-Sugeno and Mamdani types, were designed. The purpose of designing different types of controllers is to compare the performances of the controllers for this problem. While designing the controllers, MATLAB's "Fuzzy Logic Designer" interface was utilized. In order to make a realistic comparison, the same input membership functions and rules are used in the controllers. The inputs of the controllers are selected as the clutch temperature and the first torque transfer point. Three membership functions are defined for each input: "low", "medium" and "high". The output of the controllers is the clutch position corresponding to the reference torque. As with the inputs, three different output membership functions are defined as "low," "medium," and "high" for both controllers. During the design of fuzzy controllers, the relationship between inputs and outputs was determined by analyzing data collected from multiple vehicles. After designing both controllers, a mechanism was created to choose between the conventional algorithm and the fuzzy-based algorithm. The decision mechanism basically compares the reference clutch position values obtained from the two strategies. If the difference between the calculated reference values exceeds a predetermined upper threshold, the error is detected, and the curve obtained from the fuzzy-based strategy becomes equal to the final output. If the difference between the calculated reference values is below a lower threshold, the error is deactivated, and the curve obtained from the conventional algorithm becomes equal to the final output. Thus, as the traditional algorithm will not be activated until the first launch maneuver, the error value will be high and the fuzzy-based strategy will be effective. So, the mechanism eliminates the feeling of poor performance on the first launch. Moreover, the output of the fuzzy controller will be continuously updated based on the change in clutch temperature and the first torque transfer point while driving. The fuzzy controller will be activated if an error is detected, preventing incorrect torque curve learning situations. For testing and validating the developed model, a two-step test procedure was created. First, launch maneuver data was collected for three different clutch temperature ranges: low (40-70°C), medium (70-90°C), and high (90-120°C) from a test vehicle with a 28-ton, construction truck variant. The relationship between traditional and fuzzy controller-based algorithms was examined by feeding the vehicle data to the generated MATLAB-Simulink model. This study was carried out separately for models using Takagi-Sugeno and Mamdani type fuzzy controllers. The obtained clutch torque curves were compared for 40, 70, and 100 °C clutch temperatures, one value from each temperature zone. In the second step of the test, the torque curves obtained from the conventional algorithm, Mamdani, and Takagi-Sugeno type fuzzy controllers for different clutch temperatures were validated by performing launch maneuvers on the same test vehicle. For each test, the maneuvers were repeated with the same gear, accelerator pedal, and road conditions. The verification was done by examining the difference between engine and clutch torque during the launch maneuver. A large difference between torque values indicates that the clutch is in the wrong position. For this reason, the difference between the torque values was defined as the error. Three different performance indexes ISE, ITSE and ITAE were used to compare the performance of the strategies analytically. Since the ITSE and ITAE indices are time-dependent, they evaluate launch maneuvers in terms of duration. The test results were analyzed in three sections as low, medium, and high. At low clutch temperatures, both Mamdani and Takagi-Sugeno fuzzy controllers outperform the conventional algorithm. Moreover, Mamdani provides better results according to ISE index, whereas Sugeno outperforms according to ITAE and ITSE indices at low clutch temperatures. The main reason for this is that when a Sugeno-type fuzzy controller is used, the launch times are reduced. For medium clutch temperatures, all three strategies were yielded similar results. As at low temperatures, Mamdani provides better results according to ISE index, whereas Sugeno outperforms according to ITAE index at medium clutch temperatures. According to the ITSE index, the performance of the two strategies is equal. For all three indices, the traditional algorithm has the lowest performance. However, there is no dramatic difference in the results of the three strategies. For high clutch temperatures, Sugeno has the worst performance according to all three indices. The main reason for this is that the Sugeno type fuzzy controller is much more sensitive to high clutch temperatures than the Mamdani type fuzzy controller. In addition, Mamdani type fuzzy controller has the best performance for all three indices. In general, it was observed that fuzzy controllers improved clutch torque curves. On the other hand, fuzzy controllers increased computational load and simulation times. Both types of fuzzy controllers have improved the performance of the first launch maneuvers. Sugeno type fuzzy controller is highly sensitive to changes in high clutch temperatures. Therefore, it showed poor performance at high temperatures. The Mamdani-type fuzzy controller, on the other hand, succeeded in all three test scenarios.
Asenkron motorun farklı kontrol yöntemleri ile hız kontrolü ve raylı sistemlere uygulanması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-02-09) Çalıcıoğlu, Alp Eren ; Söylemez, Mehmet Turan ; 504181130 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisligi

Hareketin olduğu tüm alanlarda motorlara da ihtiyaç vardır. Başta üretim, ulaşım, enerji gibi genel sektörler olmak üzere gündelik hayatımızda karşımıza çıkan küçük ev aletleri, beyaz eşyalar ve akla gelen çoğu alanda motorlar kullanılmaktadır. Artan dünya nüfusu ve modernizasyon ile birlikte motorlara olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Motor, kaba bir tabirle kullandığı enerjiyi hareket enerjisine çeviren makinelerdir. Kullanılan enerji katı yakıt, sıvı yakıt ve elektrik gibi çeşitli türlerde olabilir, bu yakıtları kullanan motorların farklı kullanım alanları vardır. Bu motorların birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Çevre kirliliği günümüzde oldukça artmıştır ve gün geçtikçe de artmaya devam etmektedir, bu sebeple her alanda karşımıza çıkan ve çok yaygın şekilde kullanılan motorların çevre kirliliği açısından zararsız olması oldukça önemlidir. Elektrik motorları, yüksek verimleri, geniş tork ve hız karakteristikleri ve çevre dostu olmaları sebebiyle geniş bir kullanım alanı bulmaktadırlar. Farklı sınıflandırmalara göre çeşitli tipte elektrik motorları bulunmaktadır ve bu elektrik motorlarının farklı kullanım alanları, avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Tez kapsamında simülasyonu yapılacak olan asenkron motorlar çok basit yapılıdırlar, bu sebeple oldukça ucuz, küçük boyutlu ve dayanıklı bir elektrik motoru türüdür. Benzer şekilde yapılarında fırça ve komütatör olmadığı için kıvılcım gibi güvenlik sorunları da oluşturmazlar ve bakım gereksinimleri yoktur veya çok kısıtlıdır. Asenkron motorlar, ulaşım ve üretim sektörü başta olmak üzere endüstride çok yaygındır. Asenkron motorlar, çalışma mantıkları gereği tek bir alternatif akım ile beslenirler. Statorun beslendiği bu akım yardımıyla rotorda akım endüklenir ve hareket oluşur, bu sebepten dolayı indüksiyon motoru ismiyle de isimlendirilirler. Basit çalışma mantığının getirdiği avantajlarının yanı sıra bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunların başında DC motorlar gibi ayrı akımlar kullanılarak tork ve akı kontrolünün yapılamadığı gelmektedir, bu sebeple asenkron motorların kontrol yapıları ayrı akım ile sürülen elektrik motorlarına göre zordur. Ayrıca asenkron motorların doğrusal olmayan yapıları kontrol edilmelerini zorlaştırmaktadır. Asenkron motorların farklı kontrol yöntemleri mevcuttur, bunların başında skaler ve vektörel kontrol gelmektedir. Belirtilen iki yöntemin kullanım amaçları ve avantajları farklıdır. Bu çalışma kapsamında daha hassas kontrol sonuçları verebilen vektörel kontrol çalışılmıştır. Vektörel kontrol de kendi içerisinde doğrudan ve dolaylı vektörel kontrol olmak üzere ikiye ayrılmaktadır, çalışma kapsamında akı değerine ve pozisyonuna doğrudan ihtiyaç duyulmayan dolaylı vektörel kontrol yöntemi tercih edilmiştir. Vektörel kontrol ile birlikte asenkron motor bir DC motor gibi iki ayrı akım ile birlikte kontrol edilir ve bu sebeple yapılan kontrol işlemi nispeten basit bir hale getirilmiş olur. Ulaşım sektöründeki araç sayısı gün geçtikçe artmaktadır, bu sebeple ulaşım sektöründe kullanılan motorların çevreci ve yüksek verimli olması oldukça önemlidir. Demiryolu ulaşım araçları düşünüldüğünde yüksek çalışma saatleri, uzun süreli kullanım ömürleri ön plandadır, dolayısıyla itki sisteminin en önemli parçası olan motorun verimi çok önemlidir. Mıknatıslı elektrik motorları, verimin yüksek olduğu tüm alanlarda iyi bir alternatif olmaktadır, fakat yaşanan mıknatıs temini problemleri sebebiyle mıknatıslı elektrik motorlarındaki yaygın kullanım gün geçtikçe azalmaktadır. Metrolar, büyük şehirler için iyi bir ulaşım aracı alternatifidir, çünkü demiryollarını kullandıkları ve yer altından gittikleri için ek bir kara yolu şeridi işgal etmezler. Benzer sebeple insan yoğunluğunun fazla olduğu büyük şehirlerde, trafiksiz bir çözüm sundukları için kullanımları gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Çalışma kapsamında MATLAB Simulink ortamında modellenen asenkron motor modeli bir metro aracında kullanılacak şekilde tasarlanmıştır. Metrolar çalışma prensipleri gereği genelde şehir içlerinde çalıştıkları için emniyet sebebiyle belirli bir hızın üstünde çalışmaları istenmez, ayrıca yolcu konforu ve emniyeti sebebiyle de belirli bir ivme üstüne çıkmaları engellenir. Bu limitler modelleme yapılırken dikkate alınmıştır, ayrıca asenkron motorun yapısı gereği oluşturulan modelin maksimum gerilim, maksimum tork ve maksimum güç üstüne çıkması engellenmiştir. Asenkron motor kontrolü düşünüldüğünde yukarıda bahsedilen emniyet ve konfor sebebiyle ivme kontrol altında tutulmalıdır, hız ve konum ise hassas bir şekilde kontrol edilmelidir, çünkü metrolardan belirlenen konumlarda ve çok küçük hata payı içerisinde durmaları beklenir. Ayrıca hız ve konum kontrolü için aşım istenen bir durum değildir. Bu performans kriterleri oluşturulan kontrol yapıları için göz önüne alınmıştır. Asenkron motorlar, diğer elektrik motorları gibi çalışırken ısınırlar, bu sebeple motor parametrelerinde ısınma sonucu değişimler oluşur. Ayrıca yukarıda bahsedildiği gibi asenkron motorların doğrusal olmayan yapılarından dolayı oluşturulan modelde belli kabuller yapılmıştır. Tüm bu model kaynaklı bilinmezlikler ve parametrik değişimlere ek olarak, metronun hareketini sürdürdüğü yoldan kaynaklı bilinmezlikler ve değişimler ve metro içerisine binen yolculardan dolayı oluşan toplam ağırlık değişimi yapılan kontrol yapısının dayanıklı olmasını gerektirir. Bu sebeple tasarlanan kontrol yapısının dayanıklı olması ve sistemi farklı koşullarda da başarılı bir şekilde kontrol edebilmesi de bir performans kriteri olarak göz önüne alınmıştır. Asenkron motor kontrolünde PID, PI-PD, bulanık kontrol, kayan kipli kontrol ve doğrusal olmayan dinamik tersleme yöntemleri kullanılmıştır. Bu kontrol yöntemleri asenkron motorun hız kontrolünü yapabilmek için tasarlanmıştır. Tasarımları yapılan kontrol yapıları istenen performans kriterlerine göre kıyaslanmıştır. Kullanılan kontrol yöntemlerinde tasarım yapılırken Osman Kaan Erol ve İbrahim Eksin tarafından ortaya atılan büyük patlama büyük çöküş optimizasyon yönteminden faydalanılmıştır. Çalışmada son olarak yapılan tasarımların karşılaştırmalı sonuçları yer almaktadır.
F-16 hava aracının doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı dayanıklı kontrol yöntemleri ile kontrolü

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-02-09) Çalıcıoğlu Durmaz, Buse E. ; Söylemez, Mehmet Turan ; 504181133 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisligi

Uçuş kontrol sistemleri, uçağın güvenli bir şekilde uçmasını sağladığından bir hava aracının en önemli parçalarından biridir. Wright Kardeşler'in uçağı ile birlikte uçuş kontrol alanındaki gelişmeler başlamış, uçuş kontrol sistemlerinin uçuş performansını iyileştirme konusunda önemli bir etkiye sahip olması uçuş kontrol sistemlerinin hızla gelişmesine yol açmıştır. İlk uçuş kontrol sistemleri mekanik veya hidro-mekanik sistemlerden oluşurken, uçaklar geliştikçe elektrik motorları, dijital bilgisayarlar veya fiber optik kabloların kullanımına geçilmiştir. 1990'lardan önce, sabit kanatlı uçakların uçuş kontrol sistemlerinin büyük çoğunluğu klasik ve doğrusal kontrol yöntemleri ile geliştirilmekteydi. Doğrusal kontrol yöntemleri, uçuş zarfının bir bölgesinde elde edilen doğrusal bir model için tasarlanmaktadır. Tüm uçuş zarfında geçerli bir kontrolör elde etmek için ise, uçuş zarfı parçalara bölünerek zarfın her bir parçası için ayrı ayrı doğrusal kontrolörler tasarlanır, ardından da bu doğrusal kontrolörlerin enterpolasyonuyla kazanç çizelgeleri elde edilir. Kazanç ayarlama (gain scheduling) yöntemi doğrusal olmayan sistemlere doğrusal kontrolör tasarlamada oldukça yaygın olsa da, kontrolörün başarısı tasarlandığı alanın dışında garanti edilememektedir. Ayrıca, pratikte karşılaşılan doğrusal olmama durumları veya belirsizlikler gibi sebepler de performans düşüşüne neden olmaktadır. Klasik yöntemler, uçuş kontrol sistemlerinde uzun yıllar boyunca kullanılmış ve başarılı sonuçlar vermiş olsa da, kazanç ayarlama yönteminin maliyetli olması ve performansının sınırlı olması nedeniyle, kazanç ayarlama prosedüründen kaçınmak için, son yıllarda doğrusal olmayan kontrol yapıları üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu yapılar, uçuş zarfının çok daha geniş bir bölgesinde geçerli olmalarını sağlayan doğrusal olmayan denklemleri kullanırlar. Özellikle yüksek performanslı ve yüksek manevra kabiliyetli hava araçları için doğrusal olmayan kontrol yöntemleri modeli ve doğrusal olmama durumlarını daha iyi temsil etmektedirler. Doğrusal olmayan kontrol yaklaşımlarına, doğrusal olmayan dinamik tersleme (NDI: Nonlinear Dynamic Inversion), kayan kipli kontrol (SMC: Sliding Mode Control), geri adımlamalı kontrol (BSC: Back Stepping Control), sinir ağları (NN: Neural Networks) ve bulanık mantık (FL: Fuzzy Logic) kontrolü örnek verilebilir. Bu tez çalışmasında, F-16 hava aracı için tüm uçuş zarfında geçerli olan doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı dayanıklı kontrol sistemleri geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda F-16 hava aracının doğrusal olmayan benzetim modeli Simulink ortamında oluşturulmuş, ardından uçuş kontrol uygulamalarında popüler bir yöntem olan doğrusal olmayan dinamik tersleme, artırımlı doğrusal olmayan dinamik tersleme ve dayanıklı bir kontrol yöntemi olan kayan kipli kontrol algoritmaları kullanılarak hava aracı için farklı kontrol sistemleri geliştirilmiştir. Birinci bölümde, uçuşun kısa bir tarihçesi verilmiş ve Wrigth kardeşler'den günümüze kadar uzanan uçuş kontrol gelişmelerinden bahsedilmiştir. Ardından, uçuş kontrol sistemleri, doğrusal olmayan dinamik tersleme, artırımlı doğrusal olmayan dinamik tersleme ve kayan kipli kontrol yöntemleri ile ilgili literatür özeti sunulmuştur. Yöntemlerin dayanıklılığı, havacılık alanındaki uygulamaları ve farklı kontrol yöntemleri ile birlikte kullanımları ile ilgili çalışmalara yer verilmiştir. İkinci bölümde, F-16 hava aracı hakkında özet bir bilgi paylaşılmış, sonrasında hava aracı eksen sistemleri açıklanmıştır. Dünya, gövde, kararlılık ve rüzgar eksen sistemleri tanıtılmış, ardından da eksen sistemleri arasındaki dönüşümler, hava aracı modellemeye başlamadan önce temel bilgi olması amacıyla verilmiştir. Sonrasında, MATLAB/Simulink ortamında doğrusal olmayan F-16 hava aracı modeli oluşturulmuştur. F-16 hava aracı modeli aerodinamik model, hareket denklemleri, atmosfer modeli, motor modeli ve eyleyici modeli gibi beş temel alt sistemden oluşmaktadır. Her bir alt modelinin önce matematiksel denklemleri elde edilmiş, sonrasında Simulink modelinin görsellerine yer verilmiştir. Aerodinamik model, NASA Langley Araştırma Merkezi tarafından yapılan rüzgar tüneli test verileri kullanılarak oluşturulmuştur. Motor modeli de yine aynı çalışma temel alınarak elde edilmiştir. Hareket denklemleri altı serbestlik dereceli sistem için elde oluşturulmuştur. Eyleyici ise birinci dereceden bir transfer fonksiyon şeklinde modellenmiştir. Üçüncü bölümde, havacılık alanında kullanımı giderek yaygınlaşan doğrusal olmayan dinamik tersleme kontrol yöntemi detaylı bir şekilde anlatılmıştır. NDI, doğrusal olmayan bir kontrol yöntemi olduğu için özellikle yüksek performanslı ve geniş uçuş zarfına sahip modern hava araçları için kullanışlı bir yöntemdir. Doğrusal olmayan sistemi, kazanç ayarlama yapmadan doğrudan kontrol edebildiği için tercih edilen bir kontrol yöntemidir. NDI kontrol algoritmasının yapısı matematiksel denklemleri ile birlikte anlatılmış ve blok şeması verilmiştir. NDI kontrol yapısını oluşturan alt sistemler de bu bölümde açıklanmıştır. Bu kontrol yöntemi kapsamında, kontrol değişkeni seçimi, istenen referans dinamikler, yerleşik model, zaman ölçeği ayrımı ve dayanıklılık konuları değerlendirilmiştir. Kolay ve hızlı uygulanabilen ve tüm uçuş zarfı için geçerli bir yöntem olmasına rağmen, modele bağımlılığı sebebiyle NDI kontrol yöntemi tek başına dayanıklı bir yöntem değildir ve yöntemin en büyük dezavantajı da budur. Fakat doğrusal kuadratik regülatör (LQR: Linear Quadratic Regulator), $H_\infty$ optimal kontrol, $\mu$ sentezi, P kontrol, PI kontrol, uyarlamalı (adaptive) kontrol gibi farklı kontrol yöntemleri ile birlikte kullanılarak dayanıklılık probleminin üstesinden gelinen birçok çalışma mevcuttur. Bu bölümde, NDI kontrol algoritmasının dayanıklılığını artırmak için PI kontrolör kullanılmıştır. NDI kontrol yönteminin tek başına ve PI kontrolör ile birlikte kullanımının referans takip sonuçları bölüm sonuna eklenmiştir. Dördüncü bölümde, NDI temelli bir kontrol yöntemi olan artırımlı doğrusal olmayan dinamik tersleme (INDI: Incremental Nonlinear Dynamic Inversion) yöntemi anlatılmıştır. Bu yöntem, NDI kontrol yönteminin dayanıklılık problemine alternatif çözüm olarak üretilmiştir. INDI kontrol yöntemi, NDI yönteminin avantajlarını korurken modele bağımlılığını azaltarak dayanıklılığını artırmaktadır. INDI kontrol yasasının yapısı matematiksel olarak anlatılıp, blok şeması paylaşılmıştır. Bu yöntem elde edilirken zaman ölçeği ayrımı kavramından ve Taylor serisi açılımından yararlanılmıştır. Son olarak INDI kontrol yönteminin dayanıklılığı incelenmiş, dayanıklılık konusunda NDI ile farkı belirtilmiş ve ardından simülsayon sonuçları paylaşılmıştır. Beşinci bölümde, doğası gereği dayanıklı bir yöntem olmasıyla bilinen kayan kipli kontrol yöntemi anlatılmıştır. Yöntemin amacı, çalışma mantığı ve tasarım adımları verildikten sonra, kontrol algoritmasının elde edilişi detaylandırılmıştır. Kayan kipli kontrol yöntemi, eşdeğer ve anahtarlama kontrol girişi olmak üzere iki farklı kontrol girişinden oluşmakta olup her ikisinin de tasarım detayı verilmiştir. Kayan kipli kontrol yöteminin hem süreksiz hem de sürekli bir anahtarlama girişi ile tasarımı anlatılmış, ardından da integral içeren bir SMC kontrol yapısı verilmiştir. NDI kontrol yönteminin dayanıklı hale getirmek için SMC yöntemi ile birlikte kullanıldıkları bir yapı açıklanmıştır. NDI-SMC yapısı için hem sürekli SMC hem de integarlli SMC yöntemleri kullanılmıştır. SMC yönteminin bilinen en temel problemi olan çatırdama fenomeninden ve çözüm önerilerinden bahsedilmiştir. Son olarak, F-16 hava aracı modeli üzerinde tasarlanan her iki NDI-SMC yöntemi uygulanmış ve simülasyon sonuçları paylaşılmıştır. Altıncı bölümde, tez çalışması kapsamında tasarlanan kontrol yöntemlerinin referans takip sonuçları ve parametre belirsizliklerine karşı dayanıklılıkları kıyaslanmıştır. Belirsizlikler aerodinamik katsayılara pozitif ve negatif yönde maksimum yüzde 40 ve eylemsizlik momentlerine pozitif ve negatif yönde maksimum yüzde 20 olacak şekilde uygulanmıştır. Ayrıca, kontrolör tasarımlarında yerleşik model içersinde literatürde yer alan farklı bir aerodinamik model kullanılarak da dayanıklılık incelenmiştir. Kontrolörlerin karşılaştırılmasında L2-norm metriği ve ISE performans kriteri kullanılmıştır. Karşılaştırma sonuçları simülasyon grafikleri ile desteklenmiştir. Son bölümde ise, çalışmalar özetlenmiş, elde edilen sonuçlar verilmiş, gelecekte yapılabilecek çalışmalar ve önerilere değinilmiştir.
An online adjustment mechanism for membership functions of single input interval type-2 fuzzy PID controller

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-25) Aldreiei, Oqba ; Güzelkaya, Müjde ; 504191149 ; Control and Automation Engineering

The characteristics of the footprint of uncertainty (FOU) in interval type-2 membership functions (IT2-MFs) are crucial for the performance and robustness of interval type-2 fuzzy controllers (IT2 FCs). However, existing IT2-FC designs mostly use fixed FOU structures. This study proposes an online adjustment mechanism for membership functions of single input interval type-2 fuzzy PID controller (SIT2-FPID) by adjusting the footprint of uncertainty (FOU) and the weights of the antecedent and consequent membership functions (MFs) respectively to achieve high performance and robustness. The proposed online adjustment mechanism consists of two main parts: relative rate observer (RRO) and adjustment mechanism which has two inputs "error" and "normalized acceleration (Rv)", whereas the "normalized acceleration" provides relative information about the fastness or slowness of the system response. Meta-rules for the modification of the output of online adjustment mechanism (γ) are derived according to the error value and the relative information on the fastness or slowness of the system response and by analyzing the transient phase of the unit step response of the closed-loop system. The output of online adjustment mechanism (γ) in the proposed online tuning method is used as a tuning variable for the footprint of uncertainty (FOU) of the antecedent interval type-2 membership functions and the weights of the consequent crisp membership functions. This provides a dynamic membership functions (MFs) structure, where the heights of the Lower MFs (LMFs) or Upper MFs (UMFs) of each IT2 fuzzy set and the weights of the crisp output are defined as functions of the output of online adjustment mechanism (γ). By doing so, the method accomplishes the task of an online adjustment of the FOU and the weights of the antecedent and consequent membership functions respectively. The single input interval type-2 fuzzy PID controller (SIT2-FPID) with the proposed membership function adjustment mechanism was compared with the conventional PID controller and single input interval type-2 fuzzy PID controller with fixed membership functions through simulations. Throughout the simulation studies seven different performance measures are considered, three of them classical transient system response criteria: settling time (Ts), overshoot (%OS), and rise time (Tr) and the other performance measures are considered as: Integral Absolute Error (IAE), Integral Square Error (ISE), Integral Time Squared Error (ITSE) and Integral Time Absolute Error (ITAE). In addition, a step input and output disturbances have been employed to observe the disturbance rejection performance of the proposed method. The proposed online adjustment mechanism for membership functions method is demonstrated to be effective in linear and non-linear systems through simulations, and to be efficient in compensation of input and output disturbances in a short period of time.
Intra-patient and inter-patient adaptive control of hypnotic states during total intravenous anesthesia

(Graduate School, 2024-06-14) Ayvaz, Bora ; Ergenç, Ali Fuat ; 504221105 ; Control and Automation Engineering

Total intravenous anesthesia refers to administering medications to induce a state of controlled unconsciousness or analgesia during surgical or medical procedures. These medications target the nervous system, producing various effects such as pain relief, amnesia, and muscle relaxation. General anesthesia renders the patient completely unconscious and unaware of their surroundings. The input to the total intravenous anesthesia system is the rate of Propofol, and the output is the bispectral index when considered as a control system. The patient's hypnotic state can be controlled by taking the BIS as feedback. During surgery, stimuli such as scalpel cuts affect the system as output disturbances, while blood loss affects the system as parameter uncertainty and time-variant parameters. The total intravenous anesthesia system can be considered one of the most complex control systems due to its time-varying characteristics, intra-patient and inter-patient variability, unpredictability, and model uncertainty. Controlling the patient's hypnotic state in anesthesia faces many challenges, including patient-dependent variables, uncertain time delays, drug-dependent dynamics, and stability issues. Despite the development of various control systems such as PID control, MPC, and various adaptive control methods, the inability to ensure intra-patient and inter-patient validity remains one of the biggest obstacles to applying anesthesia systems with automatic control features to broader patient groups. Therefore, new adaptive control structures with minimal patient parameter dependency are needed. In this thesis, two primary objectives can be mentioned for the modeling and control of the total intravenous anesthesia system. The first is to propose a model improvement method that enhances the correlation with real surgical results by adding output delays to the mathematical patient models of total intravenous anesthesia based on real surgical patient data. The second is to propose a model reference adaptive control structure for the inter-patient adaptive control of closed-loop total intravenous anesthesia systems and to prove that the proposed structure can achieve more robust results in anesthesia control compared to traditional PID controllers. The proposed methodology for determining the delay time of delayed patient models involves estimating patient model parameters obtained as parametric transfer functions using the least squares method from the VitalDB database containing real surgical data. The delay value that produces the highest correlation with real surgical data is accepted as the individual delay value of each patient. The validity of delayed models is proven by comparing the correlations between the outputs of delayed and non-delayed models and real surgical output data. The model reference adaptive control system structure has been integrated into closed-loop total intravenous anesthesia to ensure intra-patient and inter-patient control validity. The model reference adaptive control structure for total intravenous anesthesia is based on an observer-based state feedback controller. The adaptation laws created using Lyapunov's stability theory adjust the state feedback controller gains to ensure inter-patient validity. The model reference adaptive controller has been applied to total intravenous anesthesia and tested on a database of 24 patients and patients identified by VitalDB under conditions of stimulus disturbances and blood loss. Correlation analysis results show that patient models with output delays in pharmacokinetic-pharmacodynamic analysis, with the bispectral index as the output, exhibit stronger correlations with real patient data from VitalDB. The importance of this result increases, especially considering that the bispectral index is the only measurable output value. In addition, the model reference adaptive control system proposed in this thesis has improved the control of total intravenous anesthesia, producing more robust and desirable results compared to the common PID controllers. The model reference adaptive control system for total intravenous anesthesia suggested in this thesis can be used to develop and manage the patient's hypnotic state during total intravenous anesthesia.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri