Bir Sualtı Aracının Modellenmesi Benzetimi Ve Denetleyici Tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında; bir sualtı aracının benzetim modeli geliştirilmiştir. Rijit bir cismin kinematik ve dinamik denklemlerinden başlayarak altı serbestlik dereceli hareket denklemleri elde edilmiştir. Geliştirilen benzetim modeli eksu kütlesi, sürtünme, kaldırma kuvveti gibi hidrodinamik kuvvetleri ve ağırlık, itki kuvvetini içermektedir. Araç benzetim modelinin oluşturulması için gerekli parametreler literatürden alınmıştır. Sualtı aracının kontrolü için kayan kipli denetleyici, durum geri beslemeli kayan kipli denetleyici ve bulanık mantık denetleyici olmak üzere üç çeşit denetleyici tasarlanmıştır. Her denetleyicinin MATLAB/Simulink’te hazırlanan doğrusal olmayan araç modeli ile benzetimi yapılmıştır. Rota hareketi için basitleştirilmiş doğrusal olmayan araç modeli kullanılarak kayan kipli denetleyici tasarlanmıştır. Daha sonra bu denetleyicinin doğrusal olmayan sualtı araç modeli ile benzetimi yapılmıştır. Bu tasarım yönteminin kullanılması belirli parametrelerin seçilmesi gerekliliğine yol açmış ve bu parametreler hazırlanan temel bir eniyileme algoritması kullanılarak seçilmiştir. Doğrusal olmayan sualtı araç modeli doğrusallaştırılarak doğrusal derinlik ve rota modeli elde edilmiştir. Bu modeller üzerinden durum geri beslemeli kayan kipli denetleyici tasarlanmıştır. Bu doğrusal modelden elde edilen denetleyici girişi doğrusal olmayan modele uygulanarak benzetimi yapılmıştır. Rota hareketi için bulanık mantık denetleyici tasarlanmış ve bu denetleyici doğrusal olmayan benzetim modeli ile test edilmiştir. Daha sonra denetleyicinin performansını arttırmak için hazırlanan temel eniyileme algoritması kullanılarak belirli parametreler saptanmıştır. Rota hareketi için tasarlanan denetleyicilerin karşılaştırıldığı bir çalışma hazırlanmış ve ileride yapılabilecek çalışmalar hakkında öneriler sunulmuştur.

In this thesis, simulation of an underwater vehicle motion has been developed. The six degrees-of-freedom dynamic equations of motion have been obtained starting with kinematic and dynamic equations of motion of a rigid body. The model developed in this thesis includes hydrodynamic forces such as added mass, viscous drag, buoyancy, weight and thrust force. Necessary parameters for the modeling of the vehicle have been obtained from the available literature. For the control system of the underwater vehicle three types of controllers have been designed including sliding mode control, sliding mode control based on state feedback and fuzzy logic control. Each controller has been simulated with the nonlinear model derived in MATLAB/Simulink. The sliding mode controller has been designed in the course plane using a simple nonlinear model. Then, the controller is implemented in the nonlinear simulation model. This design method requires the selection of certain parameters that were calculated by using a basic optimization algorithm in this study. Linear model in the depth plane and the course plane has been derived from nonlinear Autonomous Underwater Vehicle model. Then, a sliding mode controller has been designed based on this linear model by using state feedback. The control law derived from this linear model has been used in simulation with nonlinear model. Fuzzy logic controller has also been designed in the course plane and tested using the nonlinear simulation model. Then, a basic optimization algorithm has been used to optimize certain parameters to increase its performance. A comparative study between the controllers designed in the course plane is presented and suggestions about future work are also given.