Kesir mertebeli sistemler için analog devre tasarımları: Filtre ve kontrolör uygulamaları
Analog circuit designs for fractional order systems: Filter and controller applications
- Tez No: 1025028
- Danışmanlar: PROF. DR. UMUT ENGİN AYTEN, DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLIHAN ÖZAKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezin temel amacı, kesir mertebeli analog filtre (FOAF) ve kesir mertebeli PID (FOPID) kontrolör yapılarının düşük güç tüketimli analog devre düzeyinde gerçekleştirilmesine yönelik yeni devre mimarileri geliştirmektir. Bu kapsamda, tezin ilk bölümünde gerilim farkı alan geçiş iletkenliği yükselteci (MVDTA) tabanlı yeni bir geçişadmitans modlu (TAM) FOAF topolojisi önerilmiştir. Önerilen yapı, tek aktif eleman ile tek kesir mertebeli kapasitör kullanarak LPF, HPF ve APF karakteristiklerinin aynı devre mimarisi üzerinden elde edilmesine olanak tanımaktadır. Filtre yapısının yalnızca 885~\textmu W güç tükettiği, kutup frekansının elektronik olarak ayarlanabildiği ve 10~Hz'de 610~mV giriş genliğine kadar toplam harmonik bozunumun \%1'in altında kaldığı; ayrıca geçiş bandı boyunca 4.73~\textmu V RMS giriş gürültüsüne sahip olduğu ve yaklaşık 102~dB dinamik aralık sağladığı belirlenmiştir. SPICE simülasyonları ve deneysel sonuçlar, teorik analizlerle yüksek düzeyde uyum göstermiştir. Tezin ikinci bölümünde, otonom su altı araçlarında (AUV) kullanılan T200 itki sistemine yönelik bütünleşik bir kontrol–donanım tasarım yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu kapsamda, deneysel veriler kullanılarak T200 itki sisteminin matematiksel modeli elde edilmiş ve bu model üzerinde FOPID tabanlı bir kontrol yapısı tasarlanmıştır. FOPID kontrolör parametreleri sekiz farklı optimizasyon algoritması kullanılarak belirlenmiş ve algoritmaların performansları geçici tepki kriterleri ile ITAE ölçütü temel alınarak çeşitli istatistiksel testlerle karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, salp sürü algoritması (SSA) ile optimize edilen FOPID kontrolörün, klasik PID ve diğer algoritma tabanlı FOPID kontrolörlere kıyasla yükselme süresi, yerleşme süresi, aşım ve kararlı durum hatası bakımından daha üstün performans sergilediğini; duyarlılık, dayanıklılık ve kararlılık analizleriyle de bu performansın güvenilir biçimde korunduğunu göstermiştir. Önerilen SSA-FOPID kontrolörün analog ortamda gerçekleştirilmesine yönelik geliştirilen OTA-C tabanlı modüler kafes tipi devre mimarisi, çalışmanın en özgün donanımsal katkısını oluşturmaktadır. SPICE ortamında doğrulanan bu analog mimarinin yalnızca 22.902~\textmu W güç tükettiği; PVT, Monte Carlo ve gürültü analizleri altında sağlamlığını koruduğu ve analog kapalı çevrim yanıtlarının MATLAB benzetim sonuçlarıyla yüksek düzeyde uyum gösterdiği belirlenmiştir. Sonuç olarak bu tez, FOAF ve FOPID kontrolör yapılarının düşük güç tüketimli analog devre düzeyinde başarıyla gerçekleştirilebileceğini ortaya koyarak, analog işaret işleme ve AUV kontrol sistemlerine özgün katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
The main objective of this thesis is to develop novel circuit architectures for the low-power analog circuit implementation of fractional-order analog filter (FOAF) and fractional-order PID (FOPID) controller structures. In the first part of the thesis, a novel transadmittance-mode (TAM) FOAF topology based on a modified voltage differencing transconductance amplifier (MVDTA) is proposed. The proposed topology employs a single active element and a single fractional-order capacitor to realize low-pass, high-pass, and all-pass filtering characteristics using the same circuit architecture. The proposed filter consumes only 885~\textmu W, provides electronically tunable pole frequency, maintains a total harmonic distortion below \%1 for input amplitudes up to 610~mV at 10~Hz, exhibits an input-referred noise of 4.73~\textmu V RMS across the passband, and achieves a dynamic range of approximately 102~dB. SPICE simulations and experimental results demonstrate high agreement with the theoretical analyses. In the second part of the thesis, an integrated control–hardware co-design approach is developed for the T200 propulsion system employed in autonomous underwater vehicles (AUVs). In this context, a mathematical model of the T200 propulsion system is obtained using experimental data, and an FOPID-based control structure is designed based on this model. The FOPID controller parameters are optimized using eight different optimization algorithms, and the performances of these algorithms are compared based on transient response characteristics, while statistical tests are also conducted using the ITAE performance index. The obtained results demonstrate that the FOPID controller optimized using the salp swarm algorithm (SSA) exhibits superior performance in terms of rise time, settling time, overshoot, and steady-state error compared with the classical PID controller and other algorithm-based FOPID controllers. Furthermore, sensitivity, robustness, and stability analyses confirm the reliability of the achieved performance. The OTA-C-based modular lattice-type circuit architecture developed for the analog realization of the proposed SSA-FOPID controller constitutes the most original hardware contribution of this study. SPICE simulations confirm that this proposed analog architecture consumes only 22.902~\textmu W of power, maintains its robustness under PVT, Monte Carlo, and noise analyses, and its analog closed-loop responses exhibit close agreement with MATLAB simulation results. Consequently, this thesis presents original contributions to analog signal processing and AUV control systems by demonstrating that FOAF and FOPID controller structures can be successfully realized at the low-power analog circuit level.
Benzer Tezler
- VLF-MF uygulamaları için tamsayı ve kesir-mertebeli akım-modlu süzgeç tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Realization of current-mode integer and fractional-order filter designs for VLF-MF applications
FADİLE ŞEN
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHarran ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KIRÇAY
- Atherosklerotik kalp hastalıklarında risk faktörleri
Risk factors in the coronary artery disease
MURAT SUHER
- Dokuma kumaşlarda örgü tipinin ham kumaşın boyutları ve geometrik özellikleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
EMEL ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER
- Ege bölgesi keçi liflerinin bazı önemli fiziksel, kimyasal özellikleri ve değerlendirme imkanları
Başlık çevirisi yok
NİLÜFER ERDEM
Doktora
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLSEREN YAZICIOĞLU
- Izgara ve altlık üstünde barındırılan ile de france X kıvırcık (Fl) ve merinos kuzularının entansif besideki performansları
Başlık çevirisi yok
ÜMRAN ŞAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Veteriner HekimliğiUludağ ÜniversitesiZootekni Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDOĞAN TUNCEL