Stability analysis of nonlinear systems and upset recovery strategies for agile maneuvering aircraft
Nonlineer sistemlerin kararlılık analizi ve çevik manevra yapan uçaklar için güvenli uçuşa dönme stratejileri
- Tez No: 512337
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZIM KEMAL ÜRE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Bu tez kapsamında, güvensiz uçuş rejimine girmiş hava taşıtları için güvenli uçuşa dönüş problemi ve genel nonlineer sistemlerin kararlılık analizi irdelenmektedir. Güvensiz uçuş rejimi olarak tabir edilen durumlarda son derece bağlaşık ve lineer olmayan dinamikler sisteme hakimdir. Bağlaşık ve lineer olmayan dinamikler ise klasik ya da modern lineer kontrol teknikleri ile ele alınması oldukça güçtür. Bu tip kontrolcüler nonlineer dinamiklere yakalamada düşük performansa sahiptirler. Bu sebeple, güvensiz uçuş rejimine girmiş hava taşıtlarının, güvenli uçuşa dönmesi için nonlineer kontrol tekniklerini içeren stratejiler benimsenmiştir. Bu tezin odağında çevik manevra yapan uçakların karşılaşacağı güvensiz uçuş koşulları vardır. Bu sebeple, bu tezin kapsamında, güvensiz uçuş rejimleri, yüksek açısal hız değerlerini içeren uçuş koşulları olarak tanımlanmıştır. Bu uçuş rejimlerini kapsayacak simulasyon çalışmaları yürütebilmek adına çevik manevra kabiliyetine sahip bir uçak modeli üzerinde çalışmak gereklidir. Bu bağlamda, simulasyon modeli olarak yüksek duyarlıklı F-16 modeli kullanılmıştır. Bu model güvensiz uçuş rejimlerindeki dinamikleri de içeren bir aerodinamik veritabanına sahiptir. Daha önce de bahsedildiği gibi güvenli uçuşa dönüş problemi nonlineer kontrol teknikleri ile ele alınmıştır. Buna karşın, bu problemi çözme konusunda kontrol stratejilerinin performanslarının değerlendirilmesi açısından hem lineer hem de lineer olmayan kontrol teknikleri sunulmuş ve uygulanmıştır. Bu bağlamda, doğrusal karesel regülatör, tek çevrim nonlineer ters dinamik bazlı açısal hız regülatörü ve çift çevrim nonlineer ters dinamik bazlı aerodinamik açı regülatörü oluşturulmuştur. Bunlara ek olarak, en son bahsi geçen tek çevrim nonlineer ters dinamik bazlı açısal hız regülatörü ve çift çevrim nonlineer ters dinamik bazlı aerodinamik açı regülatörünün anahtarlamalı olarak çalıştığı, anahtarlamalı nonlineer ters dinamik kontrolcüsü önerilmiştir. Tüm kontrolcü çıkarımları, gerekli uçuş denklemleri de detaylı olarak ele alınarak açık bir şekilde sunulmuştur. Oluşturulan tüm kontrol stratejileri, bu çalışma kapsamında önerilen bir sistem ile değerlendirilmiştir. Bu sistem, kullanılan kontrol stratejilerinin güvensiz uçuş rejiminden güvenli uçuş koşullarına geçişte harcadıkları süreyi ve de başarılı bir şekilde güvenli uçuş koşullarına taşınabilen başlangıç koşullarının oluşturduğu zarfı performans kriteri olarak ele almaktadır. Burada uçağın gövde eksenindeki üç açısal hız değeri(yuvarlanma hızı, yunuslama hızı, yalpalama hızı) zarfı oluşturmak için kullanılmaktadır. Bu sebeple, geniş bir yelpazede yüksek sayıda açısal hız kombinasyonları sisteme başlangıç değeri olarak verilmiş ve bahsi geçen kontrolcülerin bu koşullardan ne kadarını güvenli uçuş rejimine döndürebildiği takip edilmiştir. Ayrıca bütün zarflar farklı hücum açıları değerleri için tekrarlanmış ve böylelikle hücum açısının da güvenli uçuşa dönüşteki etkisi incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında hangi kontrolcülerin geniş toparlanma zarfına, hangilerinin ise daha dar toparlanma zarfına sahip olduğuna bakılarak kontrolcülerin performansları karşılaştırılmıştır. Tüm kontrolcüler geniş açısal hız zarflarında ve çeşitli hücum açılarında Monte Carlo simulasyonlarına tabi tutulmuş ve bahsi geçen performans kriterlerine göre değerlendirilmiştir. Buna göre, lineer kontrolcü beklendiği gibi çok sınırlı bir toparlanma zarfına sahiptir. Toparlanma hızı açısından başarılı bir performans göstermesi ise optimal kontrol tabanlı bir kontrolcü olması ile uyuşmaktadır. Diğer yandan en geniş toparlanma zarfına sahip kontrolcü ise tek çevrim nonlineer ters dinamik bazlı açısal hız regülatörüdür. Toparlanma hızı ise hücum açısıyla ters orantılı bir karakter sergilemektedir. Geniş toparlanma zarfına sahip olmasına karşın bu kontrolcünün aerodinamik açıları kontrol edebilme yetisi bulunmamaktadır. Her ne kadar açısal hızları regüle etmede çok üstün bir performans gösterse de, tam anlamıyla güvensiz uçuş rejiminden kurtulma problemine yanıt vereceği söylenemez. Buna karşın bu işlevi yerine getirebilecek çift çevrim nonlineer ters dinamik bazlı aerodinamik açı regülatörü ise nonlineer açısal hız regülatörüne karşın çok daha küçük bir zarfta etkin olabilmektedir. Bu sonuçlar vesilesi ile önerilen anahtarlamalı nonlineer ters dinamik kontrolcüsü ise geniş bir zarfta açısal hızları regüle etmeyi başarmış, açısal hızları regüle olmuş sistemde de başarılı bir şekilde aerodinamik açı regülasyonunu sağlayabilmiştir. Ek olarak, anahtarlamalı kontrolcünün anahtar değişim eşiğinin güvenli uçuş rejimine dönüş sürelerine etkisi gözlemlenmiştir. Öyle ki, farklı bir eşik değeri ile aynı şartlar altında Monte Carlo simulasyonları koşulduğunda toparlanma sürelerinde ortalama on saniyeye varan kısalma görülmüştür. Kontrol kaybı durumlarında, süre çok kiritk bir parametredir. Uçağın güvensiz uçuş rejiminde kaldığı her saniye daha da geri dönülemez uçuş rejimlerine girmesine sebep verebilmektedir. Bu sebeple de kontrolcüler için önerilen performans kriterlerinden biri toparlanma süresi olarak belirlenmiştir. Bahsi geçen son çalışmanın geliştirilebilir ve bir optimizasyon çalışmasına döndürülebilir olması, geleceğe yönelik akademik araştırma olanağı doğurması demektir ve bu bağlamda önemlidir. Güvenli uçuşa dönüş için değerlendirilen bir diğer strateji ise iki basamaklı toparlanma stratejisidir. Buna göre açısal hızlar ve aerodinamik açılar doğrudan regüle edilmeye çalışılmayıp, arada bir uçuş koşulu üzerinden geçilerek tam regülasyona yönlendirilmektedir. Dar bir zarfta test edilen bu yaklaşımda bazı noktalar için toparlanma süresini kısaltan ara durum koşullarının bulunduğu gösterilmiştir. Bu koşulların neredeyse tamamında yalpalama ve yunuslama hızları hedeflenen son değer ile aynı olup sıfırken yuvarlanma hızında farklı değerler gözlemlenebilmiştir. Bu çalışmanın güvenli uçuşa dönüşü hızlandırma konusunda yol göstericiliğinin yanı sıra, güvenli uçuşa dönüşün dinamikleri konusunda da bilgilendirici olmuştur. Öyle ki, güvenli uçuşa dönüş açısından, yunuslama ve yalpalama hızlarının düşürülmesi, yuvarlanma hızının düşürülmesine göre daha fazla önem arz etmektedir. Dolayısıyla, kontrol yüzeylerinin öncelikli olarak sadece yunuslama ve yalpalama hızlarının düşürülmesi için kullanılması güvenli uçuş zarfına dönüşte zaman avantajı sağlayabilmektedir. Yüksek uygunluklu 6 serbestlik dereceli bir F-16 modeli ve nonlineer kontrolcüler düşünüldüğünde Monte Carlo simulasyonları bazlı yapılan kararlılık analizi çalışmaları hesaplama yükü ve zaman açısından oldukça maliyetlidir. Bu sebeple, aynı çalışmaların daha az hesaplama yükü ve zaman ile üretilebilmesi açısından yapay sinir ağı bazlı bir çalışma yürütülmüştür. Bu çalışma kapsamında 1 giriş, 1 çıkış ve 4 gizli katmandan oluşan 2 ayrı model oluşturulmuştur. Modellerden birinin amacı 4 farklı sınıflandırma yapmasıdır. Bu sınıflar, güvenli uçuşa dönüşün yanı sıra güvenli uçuşa dönüşün başarısız olması durumunda hangi sebepten başarısız olduğunu da belirten durumları ifade etmektedir. Güvenli uçuşa dönüşte başarısızlık durumları hız şartının, irtifa şartının ve yük faktörü şartının ihlal edildiği durumlardır. Bu üç farklı durumun yanı sıra başarılı olduğu durumlarla birlikte 4 ayrı sınıflandırma yapılmış ve oluşturulan ilk model bu sınıflandırmayı yapmak üzerine tasarlanmıştır. Diğer modelin amacı ise 2 farklı sınıflandırma yapmasıdır. Bunlar ise güvenli uçuşa dönüşün başarılı ve başarısız olduğu durumlar olarak tanımlanmıştır. Modellerin eğitimi için daha önce yapılan Monte Carlo simulasyonlarının verileri kullanılmıştır. Burada önemli olan nokta ise eğitim için bu verilerinin sadece %20'sinin kullanılmış olmasıdır. Hesaplama yükü ve zaman açısından maliyeti düşürme de bu şekilde gerçekleşmiştir. Verilerin sadece küçük bir kısmı kullanılarak %87 oranında benzer toparlanma zarfları elde edilmiştir. Bununla birlikte, sınıflandırmada karşılaşılan hata oranları ve hangi sınıfların daha kolay hangi sınıfların daha zor ayrıştırıldığına yönelik sonuçlar da ortaya konmuştur. Hata oranlarının düşük olması, parametrelerin optimizasyonu ve sınıflandırma koşullarının sıkılaştırılması gibi çalışmalar yapılarak modelin daha yüksek başarı oranlarına çıkabileceği konusunda umut vermekte ve ileriye yönelik çalışma imkanları sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the upset recovery problem of aircrafts as well as stability analysis of general nonlinear systems. In order to deal with upset recovery problem, the strategies which contains nonlinear control techniques are adopted. In order to validate through comparison, linear control technique which make use of linear quadratic regulator is also implemented. As a nonlinear control techniques nonlinear dynamic inversion (NDI) based angular rate regulator and double loop NDI controller for angle of attack, sideslip and bank angle are derived for High fidelity F-16 aircraft model. The choice of aircraft model enabled us to observe conditions with high angular rates which can be encountered in agile maneuver executions. Implemented controllers are evaluated through a novel framework where the recovery envelopes and recovery times are used as the performance criteria. Three dimensional recovery envelopes are constructed using three body angular rates which are used as initial points for simulations and included or excluded to recovery envelopes based on the success in recovery attempt. Successful recovery conditions are restricted so that the aircraft would not count as recovered if it exceed structural or altitude limits along with the constraints employed in actuator models. Based on the evaluations which are made by the proposed framework, another strategy is proposed which adopts the strong sides of single loop and double loop NDI controllers such that it utilizes the single loop NDI controller until the high angular rates are regulated below some predetermined threshold, then uses the double loop NDI controller to recover aerodynamic angles. This new strategy is called as switching NDI controller and its performance superiority is validated using the proposed framework. Thereafter conducting analysis based on simulation study, another approach is implemented to mitigate the computational burden which comes along with the simulations. Neural network model is constructed to reproduce the recoverability envelopes obtained via simulations. By this way, recoverability envelopes are created with high fidelity using only small portion of the whole simulations executed before.
Benzer Tezler
- Birleşik alternatif akım-doğru akım sistemlerinde geçici hal kararlılığında değişik bir yaklaşım
Başlık çevirisi yok
KÜRŞAT AYAN
Doktora
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESRİN TARKAN
- İkinci mertebeden doğrusal olmayan dinamik sistemlerin RLC devre sistemleri ile kalitatif analizi
Qualitative analysis of second-order nonlinear dynamical systems with RLC circuit systems
MUHAMMET ATEŞ
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSiirt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET RECEP MİNAZ
- Enerji fonksiyonu analizi ile gerilim kararlılığı incelemesi
Investigation of voltage stability by analysis of energy function
AHMET ÇİFCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YILMAZ UYAROĞLU
- Bazı lineer olmayan kısmi diferansiyel denklem sistemlerinin tam çözümleri için metotlar
Methods for exact solutions of some nonlinear systems of partial differential equations
HACER KAYA
- Kesirli türevli sönüme sahip tek ve iki serbestlik dereceli sistemlerin yaklaşık çözümleri ve kararlılık analizleri
Approximate solutions and stability analysis of single and two degree of freedom systems with fractional damping
ŞENOL GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
MatematikBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMatematik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BENGİ YILDIZ