Optimization of design and control parameters for an electrically-propelled aerial vehicle using the energy approach
Elektriksel tahrikli bir hava aracının enerji yaklaşımıyla tasarım ve kontrol parametreleri optimizasyonu
- Tez No: 635569
- Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 87
Özet
Havacılık endüstrisinin gelişmesiyle temiz ve düşük maaliyetli hava taşımacılığına olan ilgi yıllar geçtikçe artmıştır. Özellikle hava veya kara taşımacılığında temiz enerji kaynaklarının önemi, hava araçlarının elektrifikasyonu için alternatif yakıt tüketiminin önemini beraberinde getirir. İlk elektrikli araç konseptinin geliştirilmesinden sonra, Hibrid Elektrikli ve Batarya Elektrikli Araçlar'ın üretilmesi, batarya teknolojisini geliştirmeye ve enerji depolama kapasitesini artırmaya yöneltti. Batarya teknolojisinin geliştirilmesi, hava araçları için de kullanılabilirliği ve hava taşımacılığının yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı olma fırasıtın doğuruyor. Kısa menzilli, bölgesel uçuş operasyonları için elektrikli hale getirilmesi düşünülen hava araçları taşımacılığının verimliliği, her bir uçuş döngüsü için enerji optimizasyonuna ve maliyet eliminasyonuna büyük oranda bağlı olacaktır. Elektrikli uçak kavramı, elektrikli uçakların yenilikçi görünümleri ve sıfır karbon salınımı nedeniyle son yıllarda popüler bir çalışma konusu haline gelmiştir. Şimdiye kadar, dikey veya kısa mesafeli kalkış iniş hava araçları VTOL / STOL, etkili uçuş operasyonları ve hedeflenen manevralara doğrudan ulaşabildikleri için bir çok örneği üzerinde geliştirilmeler yapıldı. Elektrik enerjisi ile çalışan veya elektrik aktarma organları tarafından tahrik edilen hava araçları Elektrikli Uçaklar veya Elektrikli Dikey Kalkış İniş Araçları, e-VTOL'ler olarak adlandırılır. Bu çalışmada, bir hava aracının elektrifikasyonu yapılırken hangi dizayn aralıklarında tasarımın yapılması daha elverişli olacağı, yapılan tasarım için hangi parametrelerin optimize edilmesi gerektiği, optimize edilecek parametrelerin eldesi ve iki farklı tip konvansiyonel uçağın elektrikli hale getirilmesi durumunda menzil ve uçuş tahminleri yapılmıştır. Dikey kalkış-iniş yapacak kısa menzilli hava aracı olan e-VTOL'lerin tasarım parametrelerinin belirlenmesi, kısa mesafeli uçuşlar için toplam enerji gereksinimini göz önüne alarak bir tasarım optimizasyonu ile yapılmıştır. Yöntem, gerekli zaman aralığı boyunca belirli bir yolculuk için araç güç tüketimine dayanır. Belirlenen bir uçuş profili boyunca aracın tüketebileceği toplam enerji ve buna bağlı olarak tasarım parametreleri tahmin edilmektedir. Ayrıca yakıt tankına kıyasla benzer oranda kütleye sahip bir bataryanın kullanılmasının sağlayabileceği toplam ve anlık enerji çıktıları tahmin edilmiştir. Genel dizayn parametreleri elde edildikten sonra itki kaynağı olarak kullanılacak elektrik motorunun kontrol parametrelerinin optimizasyonu için yeni bir yaklaşım sunulmuştur. İtme kaynağı olarak aracın aktarma organında kullanılacak e-motor için kontrol parametreleri, Optimal Kontrol Teorisi'ne dayanarak optimize edilmiştir. Bir dizi optimal PID katsayılarının sunulması için Aralık Yarılama Yöntemi (IHM) geliştirilmiş ve algoritmada kullanılmıştır. Optimizasyon algoritması temel maliyet fonksiyonu göz önüne alarak Optimal Kontroldeki Hataların Karelerinin İntegrali (ISE) Yöntemi benimsenmiştir. Bütün çıkarımlar minimum enerji tüketimi gereksinimine dayanan objektif fonksiyona göre yapılmıştır. Optimizasyonda kullanılan denklemler ve kontrol sistemin transfer fonksiyonları, araç üzerine uygulanan kuvvet ve yükün, yani aerodinamik kaldırma ve sürükleme, gereken itme kuvveti ve toplam kütle parametrelerinden yola çıkılarak elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
With the recent developments in the aviation industry, the interest in green air transportation has significantly increased over the years. The possibility of green energy sources used in road and rail vehicles could help an alternative option in air transportation as well. After the first development of electrical vehicle concept, Hybrid Electric Vehicles (HEVs) and Battery Electric Vehicles (BEVs) pushed the battery technology to be improved and lead a way to be used for the aerial vehicles as well. The air transport vehicles, considering to be electrified for short-range, regional or urban operations, will depend on energy-based optimization and cost elimination for each flight cycle. The concept of electric aircraft has been studied in recent years because of their innovative appearance and zero carbon emission. Until now, unmanned, vertical or short-range take-off landing, UAV, VTOL/STOL, aerial vehicles are presented for various flight operations. The aerial vehicles powered by electrical energy or driven by e-powertrains are revealed as Electric Airplanes or Electrified Vertical Take-Off Landing Vehicles (e-VTOLs). In this study, the design optimization of the electric air vehicle is presented to develop an approach focusing on the total energy requirement for short-range flights. The developed method is based on the vehicle power consumption for a defined trip/flight profile over a required timespan. Principles of energy requirements during a trip taken into account and the design parameters are estimated. The feasible design proposal is made for short-range flights by suggesting the estimated energy requirement from battery storage. After drawing a rough picture of total energy, the corresponding battery mass, propulsion unit mass, and total vehicle mass is suggested. Since the main energy consumer is the e-motor that generates the propulsion power through powertrain elements, a detail of control parameters optimization is studied for the propulsion unit. In this regard, an online optimization method based on the Optimal Control Theory is proposed for e-motor control parameters. The widely used control method of Proportional-Integral-Derivative (PID) parameters are optimized for the selected e-motor. To come up with the set of optimum PID parameters, the Integral Squared Error (ISE) Method and Interval Halving Search Method (IHSM) are used. All estimations are made with minimum energy requirement consideration. The equations of motions and transfer functions are governed by control and stability equations by introducing the loads exerted on the vehicle. The aerodynamically generated lift and drag, the required e-motor thrust, and total vehicle weight forces during alevel flight are basically implemented.
Benzer Tezler
- Çok rotorlu insansız hava aracı tasarımı ve kablosuz algılayıcı ağlarda kaynak ataması eniyilemesi
Design of multi-rotor unmanned aerial vehicle and optimization of resource allocation in wireless sensor networks
ANIL UFUK BATMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
DOÇ. DR. BÜLENT TAVLI
- Bir elektrikli ulaşım sisteminin modellenmesi ve simülasyonu
Modelling and simulation of an electrically driven transport system
SALMAN KURTULAN
Doktora
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. ATİLLA BİR
- Electromechanical analysis of linear compressor for household refrigerators
Ev tipi buzdolabı için lineer kompressörün elektromekanik analizi
ADNAN HASSAN
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Tek rotorlu Wankel motorunun ateşleme ve püskürtme ünitelerinin (kontrol ünitesinin) tasarımı, imalatı ve bilgisayar arayüzü ile kontrolü
Designing, producing and computer based controlling ignition and injection units (control units) of a single rotor Wankel engine
MEHMET İLTER ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEMAL BAYKARA
- Termoelektrik modül ile atık ısıdan elektrik üreten bir sistem uygulaması
Application of a system generating electricity from waste heat with thermoelectric module
GÜLDEN BOLATLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT KARABEKTAŞ