Geri Dön

Data driven model predictive control for flight control

Uçuş kontrolü için veriye dayalı model öngörülü kontrol

  1. Tez No: 1019353
  2. Yazar: TALHA ULUKIR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mekatronik Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechatronics Engineering, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Veriye Dayalı Model Öngörülü Kontrol (DDMPC), açık bir parametrik model tanımlama adımına ihtiyaç duymadan, ölçülmüş giriş--çıkış verilerinden oluşturulan Hankel matrisleri üzerinden öngörülü kontrol problemi kuran güçlü bir yaklaşımdır. Willems'in davranışsal sistem kuramına dayanan bu yapı, sistem davranışını belirli bir durum uzayı modeli üzerinden değil, doğrudan ölçülmüş yörüngelerin doğrusal bileşimleri üzerinden temsil eder. Bu özellik, özellikle uçuş kontrolü gibi doğru ve güvenilir model elde etmenin zor olduğu alanlarda önemlidir. Aerodinamik belirsizlikler, çalışma noktasına bağlı dinamik değişimler, eksenler arası güçlü bağlaşım, sınırlı tanımlama verisi ve güvenlik gerekçeleriyle her manevranın deneysel olarak tekrarlanamaması, klasik model tabanlı öngörülü kontrol tasarımını zorlaştırmaktadır. DDMPC bu açıdan, tanımlama ve kontrol tasarımını ayrık iki aşama olarak ele almak yerine, öngörücü yapıyı doğrudan veriden kurarak pratik bir alternatif sunar. Bununla birlikte DDMPC'nin kuramsal çekiciliği, gerçek zamanlı ve güvenilir uçuş kontrol uygulamaları için tek başına yeterli değildir. Hankel matrisleri, veri uzunluğu ve öngörü ufku arttıkça yüksek boyutlu hale gelir; ayrıca giriş verisinin korelasyonlu olması, ölçüm gürültüsü, zayıf uyarım ve benzer yörünge parçalarının tekrar etmesi, bu matrislerde ciddi sayısal kötü koşulluluğa yol açabilir. Bu kötü koşulluluk yalnızca çevrim dışı bir veri işleme problemi değildir; eşitlik kısıtlarına, öngörü haritalarına, kuadratik programın Hessian yapısına ve çözücünün yakınsama davranışına doğrudan yansır. Dolayısıyla DDMPC'nin uçuş kontrolünde uygulanabilirliği, yalnızca davranışsal formülasyonun doğruluğuna değil, bu formülasyonun hangi sayısal temsil, hangi koordinat sistemi ve hangi optimizasyon geometrisi ile gerçekleştirildiğine bağlıdır. Bu tez, söz konusu problemi davranışsal kontrol problemi ile onun sayısal gerçekleştirimini birbirinden ayıran bir bakış açısıyla ele almaktadır. Tezin temel iddiası, DDMPC'deki birçok uygulama güçlüğünün öngörülü kontrol ilkesinin kendisinden değil, bu ilkenin sayısal olarak hangi biçimde temsil edilip çözüldüğünden kaynaklandığıdır. Bu nedenle tez, DDMPC'yi yalnızca veri temelli bir kontrol formülasyonu olarak değil, aynı zamanda bir sayısal gerçekleştirim problemi olarak incelemektedir. Bu çerçevede farklı sayısal müdahaleler, neyi korudukları, neyi değiştirdikleri ve hangi uygulama darboğazını hedefledikleri açısından sınıflandırılmıştır. Böylece tam eşdeğerlik, yapılandırılmış yaklaşım ve metrik şekillendirme gibi kavramlar aynı kuramsal zemin üzerinde, fakat birbirine karıştırılmadan ele alınmıştır. Tezin ortak kuramsal çerçevesinde, yığılı Hankel matrisi sonlu ufuklu bir davranışsal altuzay olarak yorumlanmaktadır. Bu yorum, denetleyicinin öngörü anlamının belirli bir matris gösterimine değil, bu matrisin temsil ettiği giriş--çıkış yörüngeleri kümesine bağlı olduğunu vurgular. Bu nedenle bir sayısal dönüşüm, yalnızca aynı altuzayın farklı koordinatlarla yazılması ise, kontrol problemi tam olarak korunabilir. Buna karşılık bir projeksiyon uygulanıyorsa, davranışsal uzayın yalnızca baskın ve dinamik olarak anlamlı bileşenleri korunur. Eğer müdahale yalnızca maliyet metriğine uygulanıyorsa, uygunluk kümesi değişmeden optimizasyon geometrisi yeniden şekillendirilebilir. Tezde geliştirilen üç ana yöntem bu ayrım üzerine yerleştirilmiştir. Tezin ilk katkısı, Recursive-QR (RQR) yapısına dayalı tam kayıpsız bir DDMPC gerçekleştirimidir. Kayan pencereli DDMPC uygulamalarında aktif veri penceresi her örnekleme anında değiştiği için, Hankel matrisinin tekrar tekrar ayrıştırılması çevrim içi hesap yükünün baskın bileşeni haline gelebilir. Bu sorunu gidermek amacıyla tezde, yığılı Hankel matrisinin ince QR ayrışımından elde edilen öncü üçgensel blok üzerinden indirgenmiş koordinatlı bir formülasyon geliştirilmiştir. Bu dönüşüm, seçilen davranışsal altuzay üzerinde uygunluk kümesini, öngörülen yörüngeleri, eniyileyici eşlemesini, kuadratik program yapısını ve KKT sisteminin eylemsizliğini koruyan kayıpsız bir koordinat dönüşümü olarak gösterilmiştir. RQR gerçekleştiriminde temel fikir, aktif Hankel penceresi değiştikçe tüm QR ayrışımını baştan hesaplamak yerine, QR çarpanlarını rank-bir Givens güncelleme ve düşürme adımlarıyla özyineli biçimde sürdürmektir. Böylece batch çözümle aynı davranışsal problem korunurken, çevrim içi güncelleme maliyeti azaltılır. Tezde ayrıca bu dönüşümün yalnızca çözücü değişkenlerini küçültmekle kalmadığı, aynı zamanda kuadratik program ve KKT sistemi üzerinde kongrüans tabanlı bir ölçekleme yorumu sunduğu gösterilmiştir. Bu sayede RQR yöntemi, kontrol yasasını değiştirmeden hesap yükünü azaltan ve kayan pencere uygulamalarında sayısal olarak izlenebilir bir gerçekleştirim sağlamaktadır. İkinci katkı, Schur-Projeksiyonlu Hankel Ayrışımı (SPHD) tabanlı yapı-farkındalıklı projeksiyonlu gerçekleştirimdir. Bu yöntem, büyük ve yüksek korelasyonlu Hankel temsillerinde ortaya çıkan sayısal kötü koşulluluğu hedeflemektedir. Önerilen yaklaşımda geçmiş ve gelecek Hankel blokları arasındaki ilişkiyi temsil eden düzenlileştirilmiş bir veri temelli kaydırma operatörü kestirilmekte, ardından bu operatörün reel Schur ayrışımı kullanılarak dinamik olarak anlamlı bir projeksiyon altuzayı oluşturulmaktadır. Böylece yalnızca singular değer büyüklüğüne dayanan saf cebirsel budama yerine, yörünge evrimini temsil eden spektral yapıdan yararlanan bir indirgeme mekanizması elde edilmektedir. SPHD yönteminde amaç, DDMPC'nin nominal optimizasyon yapısını tamamen değiştirmek değildir; bunun yerine Hankel temsilini daha iyi koşullu, dinamik açıdan anlamlı ve sayısal olarak daha güvenilir bir biçime dönüştürmektir. Bu gerçekleştirim tam anlamıyla kayıpsız değildir; çünkü orijinal davranışsal veri uzayı bir projeksiyonla değiştirilir. Ancak projeksiyon, seçilen Schur altuzayı ve DC-koruyucu ankraj yapıları sayesinde düşük frekanslı ve kalıcı rejim bileşenlerini koruyacak şekilde tasarlanmıştır. Tezde bu yapı için projeksiyon kalıntısı, geçmiş tutarlılık hatası, etkin sayısal boyut ve koşulluluk üzerindeki etkiler tartışılmıştır. ETH Helikopter Hover benzetiminde elde edilen sonuçlar, izleme başarımını bozmadan Hankel koşul sayısında büyük iyileşme ve kuadratik program çözüm süresinde belirgin azalma sağlandığını göstermektedir. Üçüncü katkı, Block--Hessenberg (BH) zamansal şekillendirme tabanlı uygunluk-kümesi-koruyan metrik gerçekleştirimidir. Bu yöntem, DDMPC'deki sayısal güçlüklerin yalnızca veri matrislerinden değil, aynı zamanda kuadratik aşama maliyetinin öngörü ufku boyunca oluşturduğu zamansal geometriden de kaynaklandığı gözlemine dayanmaktadır. Standart DDMPC'de aşama maliyeti, her öngörü adımını belirli bir ağırlıkla cezalandırırken, ufuk boyunca ardışık aşamalar arasındaki yenilik veya geçiş yapısını açık biçimde düzenlemez. BH yaklaşımı, bu gizli temporal geometriyi hedef alarak maliyet fonksiyonunun metrik yapısını yeniden şekillendirir. Tezde önerilen BH operatörü, nedensel, alt-bidiagonal ve Block--Hessenberg yapılı bir zamansal dönüşüm olarak tanımlanmıştır. Bu operatör yalnızca ağırlıklandırılmış artık vektörüne sol metrik dönüşümü şeklinde uygulanır; uygunluk kümesini, karar değişkenlerini, davranışsal kısıtları ve fiziksel giriş--çıkış sınırlarını değiştirmez. Bu nedenle BH şekillendirme, klasik anlamda ek bir regülarizasyon veya gevşetme terimi değildir. Bunun yerine, aynı uygun yörünge kümesi içinde optimizasyonun hangi temporal geometriye göre seçim yaptığını değiştirir. Böylece uygunluk ve konvekslik korunurken, ardışık öngörü aşamaları arasında daha tutarlı geçişler teşvik edilir ve geçici rejim davranışı daha düzgün hale getirilebilir. BH yönteminin kuramsal tarafında, nedensellik, seyrekliğin korunması, kaydırma değişmezliği ve metrik iyi tanımlılık gibi geriye çekilen ufuklu kontrolle uyumlu yapısal koşullar tartışılmıştır. Bu koşullar altında birinci dereceden zamansal bağlaşımın Block--Hessenberg yapısına götürdüğü gösterilmiştir. Ayrıca şekillendirilmiş regresyonun koşul sayısı için üst sınırlar verilmiş ve metrik dönüşümün değer fonksiyonu veya Lyapunov tabanlı kararlılık argümanlarıyla uyumlu olduğu açıklanmıştır. Uçuş kontrol benzetimleri, BH şekillendirmenin özellikle türbülans, hata ve zorlayıcı geçici rejim senaryolarında daha düzgün cevaplar ve iyileştirilmiş sayısal davranış sağlayabildiğini göstermektedir. Bu üç yöntemin birlikte ele alınması, tezde önerilen gerçekleştirim odaklı bakış açısının temel sonucunu oluşturmaktadır. Recursive-QR yöntemi, aynı davranışsal problemi tam olarak koruyan bir koordinat ve faktorizasyon gerçekleştirimidir. Schur-Projeksiyonlu Hankel Ayrışımı, kötü koşullu veri uzayını dinamik olarak anlamlı bir altuzaya yansıtan yapı-farkındalıklı yaklaşık bir gerçekleştirimdir. Block--Hessenberg şekillendirme ise uygunluk kümesini ve davranışsal kısıtları değiştirmeden yalnızca maliyet metriğini düzenleyen bir gerçekleştirimdir. Bu ayrım, her yöntemin hangi iddiaları taşıyabileceğini de açık hale getirir: RQR için tam eşdeğerlikten, SPHD için kontrollü ve yapılandırılmış yaklaşımdan, BH için ise uygunluk-kümesi korunumlu metrik dönüşümden söz edilebilir. Tezde ayrıca bu yöntemlerin uçuş kontrol uygulamaları açısından hangi durumda tercih edilmesi gerektiğini açıklayan bir mühendislik karar çerçevesi geliştirilmiştir. Eğer baskın sorun kayan pencere güncellemelerinin çevrim içi maliyeti ise RQR doğal bir seçenektir. Eğer temel darboğaz Hankel matrislerinin ağır kötü koşulluluğu ve çözücü güvenilirliği ise SPHD daha uygun bir gerçekleştirim sunar. Eğer uygunluk korunmasına rağmen kapalı çevrim geçici cevabında salınımlı, agresif veya sayısal olarak hassas davranışlar gözleniyorsa BH metrik şekillendirme öne çıkar. Bu bakış açısı, DDMPC için tek ve evrensel bir en iyi sayısal gerçekleştirim olmadığını; uygun yöntemin baskın uygulama darboğazına bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Ana veri temelli katkılara ek olarak tezde, uçuş kontrolünde hesaplamalı olarak verimli öngörülü kontrol fikrini destekleyen tamamlayıcı bir model tabanlı çalışma da sunulmuştur. Bu kapsamda otomatik iniş problemi için cebirsel MPC yaklaşımı ele alınmış, düzgün kısıt gömme ve kapalı biçime yakın çevrim içi çözüm yapıları üzerinden klasik MPC'ye göre düşük hesap yükü hedeflenmiştir. Bu bölüm, tezde kurulan davranışsal gerçekleştirim hiyerarşisinin doğrudan bir parçası değildir; ancak uçuş kontrolünde gerçek zamanlı uygulanabilirlik, kısıt yönetimi ve hesaplama verimliliği gibi ortak mühendislik kaygıları bakımından ana konuya tamamlayıcı bir örnek oluşturmaktadır. Sonuç olarak bu tez iki temel katkı sunmaktadır. Birincisi, DDMPC'nin hesap yükü, kötü koşulluluk ve geçici rejim başarımı gibi temel darboğazlarına yönelik üç somut sayısal yöntem geliştirmektedir. İkincisi ve daha temelde, veriye dayalı öngörülü kontrolün sayısal gerçekleştirim kuramı açısından yorumlanabileceğini göstererek, aynı davranışsal kontrol problemi üzerinde etkili olan tam koordinat dönüşümü, yapı-farkındalıklı projeksiyon ve metrik-yalnızca şekillendirme müdahalelerini ortak bir kuramsal zeminde ayırmaktadır. Bu yönüyle tez, hem DDMPC'nin uçuş kontrolündeki pratik uygulanabilirliğine hem de veri temelli öngörülü kontrolün sayısal gerçekleştirim odaklı kuramsal anlaşılmasına katkı sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Data-Driven Model Predictive Control (DDMPC) has emerged as a promising alternative to model-based predictive control by replacing explicit model identification with Hankel-matrix representations constructed directly from measured input--output data. Rooted in Willems' behavioral systems theory, this approach is especially attractive for flight-control applications, where accurate parametric models are often difficult to obtain because of aerodynamic uncertainty, cross-coupling, operating-point dependence, and limited identification data. However, despite its theoretical appeal, the practical deployment of DDMPC remains constrained by two major difficulties: the computational burden of repeatedly updating large data-driven predictors and the severe numerical ill-conditioning of Hankel-based optimization problems. This thesis addresses these limitations from the viewpoint that the behavioral control problem and its numerical realization are not identical objects. Its central claim is that many implementation barriers in DDMPC arise not from the predictive-control principle itself, but from the numerical form in which that principle is represented and solved. Accordingly, the thesis develops a realization-oriented framework in which different numerical interventions are classified by their preservation properties and by the implementation bottleneck they target. The first contribution is an exact lossless realization of DDMPC based on a Recursive-QR (RQR) formulation. In sliding-window implementations, repeated batch factorizations of the active Hankel matrix can dominate the online cost. To eliminate this burden, the thesis develops a reduced-coordinate formulation induced by the leading triangular block of a thin QR factorization of the stacked Hankel matrix. This transformation is shown to preserve the feasible set, predicted trajectories, optimizer correspondence, and quadratic-program structure exactly on the retained behavioral subspace. By maintaining the QR factors recursively through rank-one Givens updates, the proposed realization achieves substantial computational savings while remaining exactly equivalent to the batch formulation. The second contribution is a structure-aware projected realization based on a Schur-Projected Hankel Decomposition (SPHD). This method addresses the severe ill-conditioning of large and highly correlated Hankel representations by estimating a data-driven shift operator and constructing a dynamically informed projection from its real Schur decomposition. Unlike purely algebraic truncation methods, the proposed projection retains dynamically relevant directions while attenuating numerically fragile components. Although this realization is not exact in a strict lossless sense, it preserves the nominal optimization structure and provides a controlled approximation of the behavioral data space. Benchmark results on the ETH Helicopter Hover system show major conditioning improvement and a significant reduction in quadratic-program solve time without loss of tracking performance. The third contribution is a feasibility-preserving metric realization based on Block--Hessenberg (BH) temporal shaping. This method starts from the observation that numerical difficulty in DDMPC depends not only on the data matrices, but also on the temporal geometry induced by the quadratic stage cost. The thesis introduces a causal Block--Hessenberg operator that acts exclusively on the stage-cost metric, without modifying the feasible set, decision variables, or behavioral constraints. In this way, the optimization geometry is reshaped while feasibility and convexity are preserved. Simulation results show that this metric-only shaping improves conditioning and promotes smoother transient behavior in demanding flight-control scenarios. To unify these contributions, the thesis develops a common theoretical framework in which the stacked Hankel matrix is interpreted as a finite-horizon behavioral subspace and numerical interventions are classified according to a preservation hierarchy. Within this hierarchy, Recursive-QR corresponds to exact lossless realization, Schur projection corresponds to structure-aware approximate realization, and Block--Hessenberg shaping corresponds to feasibility-preserving metric realization. This distinction provides the theoretical basis for comparing the three methods without conflating exact equivalence, structured approximation, and metric shaping. The main outcome of the thesis is therefore twofold. First, it develops three concrete numerical methods that improve the practical deployability of DDMPC under computational, conditioning, and transient-performance constraints. Second, it establishes a realization-oriented interpretation of data-driven predictive control, showing that exact coordinate transformation, structured subspace projection, and metric-only shaping are fundamentally different numerical interventions acting on the same underlying behavioral control problem. In this sense, the thesis contributes both to the practical implementation of DDMPC in flight control and to its theoretical understanding as a numerically realized predictive-control methodology.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    992856

    Dört rotorlu insansız hava araçları için fizik rehberli artık geri beslemeli sinir ağı ile çok ajanlı dağıtılmış lineer olmayan model öngörülü formasyon kontrolü

    Multi-agent distributed nonlinear model predictive formation control for quadrotor UAVs using a physics-guided residual feedback neural network

    DENİZ MUHACİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAPRAK YALÇIN

  2. Tez No

    1012567

    Data-driven reachability-based safety-critical control of fixed-wing aircraft

    Veri odaklı, erişilebilirlik tabanlı, güvenlik açısından kritik sabit kanatlı uçakların kontrolü

    ZÜLFÜ KUZU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA YILDIZ TAŞCIKARAOĞLU

  3. Tez No

    432104

    Development of motion cueing algorithm for simulators

    Simülatörler için hareket algı algoritması geliştirilmesi

    ŞEMSETTİN NUMAN SÖZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ

  4. Tez No

    996564

    Derin öğrenme ve istatistiksel modellerle operasyonel rüzgar enerjisi tahmini: Batman içinn LSTM, ANN ve ARIMA uygulaması

    Operational wind energy forecasting using deep learning and statistical models: An application of LSTM, ANN and ARIMA for Batman

    İLAYDA KELKİTLİ BAŞARAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA KEMAL KAYMAK

  5. Tez No

    1011669

    Güney Ege ve Batı Akdeniz bölgelerinde meydana gelen orman yangınlarının hava kalitesiyle olan ilişkisinin araştırılması

    Investigation of the relationship between forest fires and air quality in the Southern Aegean and Western Mediterranean regions

    CANSU AKTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRAH TUNCAY ÖZDEMİR

Geri Dön