Bir Uçağın Kararlılık Analizi Ve Otomatik Kontrol Sistemi Tasarımları: Uyarlamalı (adaptif) Kontrol Yaklaşımı

Abstract

Bu çalışmada, temel olarak bir İnsansız Hava Aracı (İHA)’nın kararlılığı incelenmiş ve otonom uçuş için çeşitli kontrol yöntemleri önerilmiştir. Çalışmada ilk olarak, İHA’nın uzunlamasına ve yanlamasına hareketi için kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, yanlamasına uçuş ve uzunlamasına uçuşun otomatik idaresi için, Uyarlamalı (Adaptif) Model Referans ve Yeniden Şekillendirilmiş Optimal Lineer Kuadratik Regülâtör yöntemleri kullanılmış, çeşitli otomatik uçuş kontrol algoritmaları geliştirilmiş ve bilgisayar ortamında uygulamaları yapılmıştır. Tezde incelenen insansız hava aracı doğrusal (lineer) bir model olarak ele alınmıştır ve denklemleri buna göre elde edilmişlerdir. Uzunlamasına hareket için gerçekleştirilen Uyarlamalı Model Referans kontrol yöntemi uygulamaları iki başlık altında incelenmiş olup ilk aşamada MIT kuralına dayalı orantı-integral uyarlama algoritması uygulanmış ve sonuçları analiz edilmiştir. Daha sonrasında ise Lyapunov kararlılık teorisine dayalı orantı-integral algoritması uzunlamasına hareket dinamiklerine uygulanmış ve sonuçları analiz edilmiştir. Ayrıca, Yeniden Şekillendirilmiş Optimal Lineer Kuadratik Regülatör yöntemi ile uzunlamasına kontrol sistemi tasarlanarak tezin birinci kısmı sonlandırılmıştır. Tezin ikinci bölümünde, yanlamasına hareket dinamikleri elde edilmiş ve kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde Uyarlamalı kontrol yöntemleri içerisinden sadece Lyapunov kararlılık teorisine dayalı model referans adaptif kontrol tasarımı gerçekleştirilmiştir. Ve son olarak yanlamasına hareket için tasarlanan optimal lineer kuadratik regülatör tasarımı ile tez sonlandırılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalarla karşılaştırıldığında, önerilen yöntemlerle geliştirilen otomatik kontrol sistem tasarımlarının, kayda değer sonuçlar sergilediği ve performans kriterlerini fazlasıyla sağladığı gözlenmiştir.

In this study, stability analysis of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has been conducted and several control system designs have been suggested for autonomous flight. In the study, firstly, stability analyses have been carried out for the longitudinal and lateral flight dynamics. Additionally, for automatic control system designs, Model Reference Adaptive and Augmented Optimal LQR have been used, control algorithms have been developed and simulations have been conducted. UAV flight dynamics have been linearized and linearized equations of motion have been used in analyses. Adaptive control system design implemented on longitudinal flight dynamics has been investigated in two parts, where firstly PI adjustment algorithm based on MIT rule has been executed. Afterwards, PI adjustment algorithm based on Lyapunov stability theory has been applied and results have been analyzed. Moreover, Augmented Optimal LQR control system design approach has been introduced in longitudinal dynamics and in this way the first part of the study has been concluded. In the second part of the study, equations of motion in lateral flight have been obtained and stability analyses have been conducted. In this section, Model Reference Adaptive control system design based on Lyapunov stability theory has been applied to lateral system dynamics. And finally, with the implementation of Optimal LQR control system design on the lateral flight dynamics, the study has been concluded. When obtained results have been compared with the existing results in the literature, it is witnessed that designed control systems are able to present remarkable time domain and closed-loop performance characteristics.