Adaptive Lyapunov redesign of model predictive powered descent guidance
Model öngörülü dikey iniş güdümünün uyarlamalı Lyapunov-tabanlı tekrar tasarımı
- Tez No: 648557
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ EMRE TURGUT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Tekrar kullanılabilir roket sistemlerinin geliştirilmesi ile uzay sistemlerinde yeni bir çağ başlamış oldu. Dünya dışı gezegen ve uydulara yapılan keşif aracı görevlerinden edinilen tecrübeler ile dikey iniş yapabilen tekrar kullanılabilir roket kademelerinin tasarımına ışık düşürülmüş oldu. Yaklaşık yirmi yıldır, keşif araçları ve tekrar kullanılabilir roket kademelerinin dikey iniş güdümü, parametrik eniyileme problemleri şeklinde çözülen hesaplamalı eniyilemeli denetim problemleri olarak modellenmekte ve ele alınmaktadır. Bununla birlikte iniş güdümünün hassasiyeti, sensör, itici ve benzeri alt sistemlerde oluşan beklenmedik hatalara karşın, kullanılan çözüm prosedürünün gürbüzlüğüne dayanmaktadır. Özellikle dikey iniş güdümü problemleri olmak üzere mühendislikteki pek çok uygulamada, alt sistem hataları, büyük ölçüde değişen ortam koşulları ve fiziksel baskılar nedeniyle kaçınılmaz bir hal almaktadır. Bu tip görevlerde, hata tespiti için kullanılan pek çok önlem mevcuttur, ancak pek az bir bölümü bu hataların yani, kontrol teorisi tabiri ile, belirsizliklerin gerçek-zamanlı yakınsamasını incelemektedir. Diğer taraftan, uyarlamalı denetim teorisinin, özellikle fiziksel belirsizliklerin kestirim ve tahminine odaklanan köklü bir literatürü mevcuttur. Bu tezde, tekrar kullanılabilir roket kademelerinin iniş güdümü problemi, sensör hataları, itici kayıpları ve modelleme hataları gibi çeşitli belirsizlik faktörleri altında, model öngörülü denetim olarak bilinen uzaklaşan ufuk eniyilemeli denetim stratejisi ile çözülmektedir. İlk olarak, model öngörülü denetimin formülasyonu, kestirim-tabanlı yaklaşım ve fizibilite gibi çeşitli konular da ele alınarak açıklanmaktadır. Kestirim-tabanlı model öngörülü denetime ön hazırlık olarak, dünyaca kabul görmüş Kalman filtresi yöntemleri ve ikinci derece programlama teorisi, sırasıyla kullanılan durum kestirimcisi ve eniyileme çözücüsü olarak sunulmaktadır. Daha sonra, eniyilemeli denetim formülasyonunda yer alan durum kestirimcisinin, bozucu belirsizlik etkilerine karşı kendini uyarlayabilmesi adına, ayrık-zamanlı model referanslı uyarlamalı denetim mantığı ile tekrar tasarımı yapılmaktadır. Bu sırada, alt sistemlere etki eden belirsizliklerin tahmini fonksiyonel temsilleri de elde edilebilmektedir. Tezin büyük bir bölümünde, matematiksel analiz ve kontrol teorisi bakış açılarıyla, eniyilemeli denetimdeki durum kestirimcisinin, öne sürülen yöntemler ile tekrar tasarımına ve bu yöntemlerin ispatlarına yer verilmektedir. Öne sürülen yöntemlerde durum kestirimcisinin, fiziksel belirsizlikleri mümkün mertebe taklit etmeyi öğrenen bir regresör yapısı (örn. yapay sinir ağları) ile tekrar tasarımı yapılmaktadır. Regresörün gerçek-zamanlı öğrenme kanunu (ya da eğitimi), Lyapunov kararlılık teorisinin gerekli ve yeterli koşullarından türetilmekte ve öne sürülen yöntemlerin, belirsizliğin yapısı bilindiği takdirde, girdiden-duruma kararlı olduğu gösterilmektedir. Diğer taraftan yöntemlerin, dışbükey izdüşümler ile birlikte kullanıldığında, sınırlandırılmış tahmin hatalarının mevcudiyetinde dahi yarı-evrensel asimptotik kararlı olduğu gösterilmektedir. Her iki durumda da, önerilen gerçek-zamanlı öğrenme kanununun Kalman filtresine özgü terimler içermesi, eniyilemeli kestirim ve Lyapunov-tabanlı uyarlamalı denetim arasında yeni bağlantılar kurma niteliği taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
A new era of space systems is initiated with the development of reusable rocket systems. The experience gained from interplanetary landing missions shed a light upon the design of reusable rocket stages with vertical precision landing capabilities. For two decades, the descent guidance problem of interplanetary landers and reusable rocket stages are modeled and handled as computational optimal control problems which are usually solved as parametric optimization problems. Nevertheless, the precision of descent guidance highly relies on the robustness of the used solution procedure against unexpected subsystem faults occurring in sensors, thrusters and so on. In many engineering applications, particularly in descent guidance problems, the subsystem faults are inevitable due to drastically changing environments and subjecting to physical stress. There are plenty of precautions used for fault detection in such missions, however, very few of them consist of approximating the faults or, in control theoretic terms, the uncertainties in an online manner. On the other hand, there exists a well-established literature of adaptive control theory which particularly focuses on the estimation and approximation of physical uncertainties. In this thesis, the descent guidance problem of reusable rocket stages is solved via receding horizon optimal control strategy known as model predictive control in the presence of various physical uncertainty factors such as sensor faults, thruster losses and modelling errors. First, the formulation of model predictive control is explained with the various aspects such as estimation-based approach and feasibility issues. As a preliminary to estimation-based model predictive control, the globally adopted methods of Kalman filtering and the theory of quadratic programming are presented as the state estimator and the optimization solver used, respectively. Then, the state estimator used in optimal control formulation is redesigned to be adaptive to the disruptive effects of uncertainties, in the sense of discrete-time model reference adaptive control. Meanwhile, the approximate functional representations of uncertainties acting on the subsystems can be obtained. In the major part of the thesis, the proposed redesign methodology on the state estimation part of optimal control is given and proven with the mathematical analysis and control theoretical perspectives. In the proposed methods, the state estimator is redesigned with a regressor structure (e.g. neural networks) that learns to mimic the physical uncertainty up to some adequacy. The online tuning law (or training) of regressor is obtained from the necessary and sufficient conditions of Lyapunov stability theory and it is shown that the proposed methods are input-to-state stable when the structure of uncertainty is known. On the other hand, it is also shown that the methods are semiglobally practically asymptotically stable in the presence of bounded approximation errors when used along the convex projections. In either case, the proposed online tuning laws consist of some particular Kalman filter terms which build a novel bridge between optimal filtering and Lyapunov-based adaptive control.
Benzer Tezler
- Doğru akım makinasının adaptif ve optimal kontrolunun pratik gerçeklenmesi
Practical implementation of optimal model reference adaptive control of direct current machine
VEDAT DEVECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. KEMAL SARIOĞLU
- Lyapunov kararlılık teorisi tabanlı doğrusal adaptif FIR (Finite Impulse Response) filtre tasarımı
Linear adaptive fir filter design using Lyapunov stability theory
ENGİN CEMAL MENGÜÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNiğde ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURETTİN ACIR
- Lyapunov kararlı artırılmış kompleks değerli adaptif filtre tasarımı
Design of Lyapunov stability based augmented complex valued adaptive filter
ENGİN CEMAL MENGÜÇ
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNiğde ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURETTİN ACIR
- Posiion control of a permanent magnet dc motor by model reference adaptive control
Model referans uyarlamalı kontrol ile kutupları sabit mıknatıslı bir dc motorun konum kontrolü
FEDAİ YENİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFatih ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÖKSAL
- Holonomik olmayan diferansiyel sürüşlü bir mobil robotun uyarlamalı kontrolü
Adaptive control of non-holonomic differential driving mobile robot
GÖKHAN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN BAŞARAN