Uçuş kontrol uygulamalarında doğrusal olmayan dinamik bir sistem sınıfı için kontrol tabanlı gözleyici tasarımı
Control-based observer design for a class of nonlinear dynamic systems in flight control applications
- Tez No: 1012823
- Danışmanlar: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Tobb Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, çeşitli yapısal kısıtlar, sensör sınırlamaları ve dış bozucular nedeniyle sistemlerin ölçülemeyen durumlarının ve bilinmeyen sistem girdilerinin tahmin edilmesi problemi ele alınmaktadır. Çalışmada, gözleyici tabanlı yaklaşımlar gürbüzlük ve bozucu bastırma yetenekleri ön planda tutularak incelenmiştir. Tezin temel amaçlarından biri, klasik gözleyici yöntemlerinin belirsizlikler ve bozucular karşısında sahip olduğu sınırlamaları ortaya koymak ve bu sınırlamaları aşabilecek alternatif gözleyici yapılarının tasarım süreçlerini sunmaktır. Bu kapsamda, doğrusal olmayan bir sistem örneği olarak sabit kanatlı bir hava aracının boylamasına dinamikleri fizik temelli olarak modellenmiş, ardından gözleyici tasarımına uygun olacak şekilde belirli bir çalışma noktası etrafında doğrusallaştırılmaktadır. Elde edilen doğrusal model üzerinden, klasik gözleyici yaklaşımlarının yetersiz kaldığı durumlar analiz edilmektedir, bu sınırlamaların giderilmesi amacıyla durum uzayı tabanlı bozucu gözleyici ve kontrol tabanlı gözleyici yapıları tasarlanmaktadır. Önerilen gözleyici yöntemleri, simülasyon ortamında elde edilen sonuçlar üzerinden karşılaştırmalı olarak değerlendirilmektedir. Çalışmanın özgün katkısı, gürbüz kontrol teorisine ait özelliklerin gözleyici dinamiklerine entegre edildiği kontrol tabanlı bir gözleyici yapısının geliştirilmesidir. Bu yaklaşımda, H_\inf kontrol çerçevesi kullanılarak bozucular ve ölçüm gürültüleri altında tahmin performansının korunması hedeflenmiştir. Böylece, herhangi bir ek durum tanımı yapılmaksızın, H_inf kontrolcü dinamiklerinin doğal yapısı kullanılarak hem ölçülemeyen sistem durumlarının hem de bilinmeyen sistem girdilerinin gürbüz bir şekilde tahmin edilmesi sağlanmaktadır. Gerçekleştirilen simülasyon çalışmaları, öncelikle klasik gözleyici yöntemlerinin ölçülemeyen durumların ve bilinmeyen sistem girdilerinin tahmini konusundaki sınırlı performansını ortaya koymaktadır. Ardından, önerilen durum uzayı tabanlı bozucu gözleyici ve kontrol tabanlı gözleyici yapıları, tahmin doğruluğu ve gürbüzlük açısından karşılaştırılmaktadır. Bu değerlendirmelerde, grafiksel sonuçlara ek olarak ortalama karesel hata (RMSE) metriği kullanılarak nümerik analizler gerçekleştirilmektedir. Elde edilen sonuçlarla, kontrol tabanlı gözleyici yaklaşımının, özellikle belirsizliklerin ve sensör kısıtlarının baskın olduğu doğrusal olmayan sistemlerde, klasik yöntemlere kıyasla daha üstün bir performans sunduğu gösterilmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the problem of estimating unmeasurable system states and unknown system inputs arising from structural constraints, sensor limitations, and external disturbances is addressed. Observer-based approaches are investigated with a primary focus on robustness and disturbance rejection capabilities. One of the main objectives of the thesis is to identify the limitations of classical observer methods under uncertainties and disturbances and to present the design procedures of alternative observer structures capable of overcoming these limitations. Within this framework, the longitudinal dynamics of a fixed-wing aircraft are considered as a representative nonlinear system. These dynamics are derived based on physical principles and subsequently linearized about a selected operating point to make them suitable for observer design. Using the resulting linearized model, scenarios in which classical observer approaches exhibit insufficient performance are analyzed. To address these shortcomings, a state-space-based disturbance observer and a control-based observer structure are designed. The proposed observer methods are comparatively evaluated through simulation results. The main contribution of this study is the development of a control-based observer in which robustness properties derived from robust control theory are systematically integrated into the observer dynamics. In this approach, the H_\inf control framework is employed to maintain estimation performance in the presence of disturbances and measurement noise. Without introducing any additional state variables, the inherent dynamics of the H_inf controller are exploited to robustly estimate both unmeasurable system states and unknown system inputs. The simulation studies first demonstrate the limited performance of classical observer methods in estimating unmeasurable states and unknown system inputs. Subsequently, the proposed state-space-based disturbance observer and the control-based observer structures are compared in terms of estimation accuracy and robustness. In addition to graphical results, quantitative analyses are performed using the root mean square error (RMSE) metric. The results indicate that the control-based observer approach provides superior performance compared to classical methods, particularly for nonlinear systems dominated by uncertainties and sensor limitations.
Benzer Tezler
- F-16 hava aracının doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı dayanıklı kontrol yöntemleri ile kontrolü
Control of F-16 aircraft with nonlinear dynamic inversion based robust control methods
BUSE EMİNE DURMAZ ÇALICIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
- Flight control law design for fighter aircraftsexploiting nonlinear control techniques
Doğrusal olmayan kontrol teknikleri kullanılaraksavaş uçakları için uçuş kontrol yasası tasarımı
BORA AKARYILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAPRAK YALÇIN
- Robust attitude control of the F-16 aircraft using incremental nonlinear dynamic inversion
F-16 hava aracinin artimsal doğrusal olmayan dinamik tersleme yöntemiyle dayanikli yönelim kontrolü
YASİN ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
- Neural network based adaptive output feedback control: Applications and improvements
Yapay sinir ağları tabanlı uyarlamalı çıktı geri beslemeli kontrol: Uygulamalar ve iyileştirmeler
ALİ TÜRKER KUTAY
Doktora
İngilizce
2005
Havacılık ve Uzay MühendisliğiGeorgıa Instıtute Of TechnologyHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ANTHONY J. CALISE
- A model based flight control system design approach for micro aerial vehicles using integrated flight testing and hil simulations
Küçük boyutlu insansız hava araçları üzerinde sistem tanılama, uçuş kontrol sistem tasarımı ve donanım ile benzetim uygulamaları
BURAK YÜKSEK
Doktora
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN