Fault-tolerant gain-scheduling control laws applications to a passenger aircraft
Hata toleranslı kazanç-ayarlamalı kontrol kurallarının bir yolcu uçağına uygulamaları
- Tez No: 764082
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 242
Özet
Hata toleranslı kontrol (FTC) sistemi, yeni nesil uçaklarda emniyetli, verimli ve güvenilir uçuş kontrol sistemlerinin elde edilmesi, dolayısıyla uçaktaki havacılık kazalarının ve ölümlerin azaltılması amacıyla uygulanan güncel ve dikkat çeken yaklaşımlardan biridir. Bu nedenle, normal uçuş koşullarında uçağın gerekli hareketinin bilgisayar benzetimini elde etmek ve arıza durumlarında emniyette tutmak için dayanıklı uçuş kontrol yasaları geliştirmeye olan ihtiyacı karşılama çabası havacılık endüstrisinde önemini koruyarak devam etmektedir, zira uçuş sırasında kontrolün kaybı kaza sayısını doğrudan etkilemektedir. Bu gerçekten hareketle, bir kazanç çizelgeleme tekniği geliştirmeye dayalı eyleyici hatalarına karşı hataya dayanıklı bir uçuş kontrol sistemi tasarımı bu tezin temel amacıdır. Bir Boeing 747-100/200 uçağının uzunlamasına hareketini temsi eden örnek model üzerinde hataya dayanıklı kazanç çizelgeleme kontrol yasaları tasarlamak için klasik ve optimal kontrol teorileri araştırılmıştır. Geliştirilen kontrol yasası için ele alınan hataların türü, %50 ve %80 eyleyici etkinlik kayıpları hatasıdır. Hataya dayanıklı kazanç çizelgeleme kontrolü ve klasik kontrol teorisi tabanlı kontrol yaklaşımın yanı sıra optimal kontrol teorisine dayanan doğrusal karesel düzenleyici (LQR) denetleyicisi tabanlı hataya dayanıklı kazanç çizelgeleme geliştirmek için kesirli dereceli PID (FOPID) denetleyicisinden yararlanılmıştır. Bununla birlikte, bahsi geçen iki kontrolörün doğrudan uygulanmasının önündeki ana engel, geri beslemeli kontrol yaklaşımlarının doğrudan kullanımını kısıtlayan hava aracının boylamsal dinamiklerinin minimum olmayan faz yapısıdır. Bu soruna çözüm üretmek için FOPID-FD ve LQR-FIC kontrolörleri olarak bilinen iki yeni kontrol yapısı yaklaşımı önerilmiştir. Bu tezde ele alınan ikinci temel problem, B747'nin uzunlamasına hareketi için farklı uçuş koşulları ve bunlar arasındaki geçişler için yüksek performans ve kararlılık özelliklerine sahip, düzgün ve muhafazakar olmayan bir kazanç çizelgeleme kontrol sistemi kurmaktır. Daha sonra, gerekli tüm performans indeksleri ve evrimsel algoritmalar kullanılarak çözülebilecek çok amaçlı bir optimizasyon problemi şeklinde uçuş zarfına göre birleştirilmiştir. Farklı uçuş koşulları arasındaki geçiş noktalarının performansı ve kararlılığı, bir dizi Pareto optimal çözüm olarak bilinen, evrimsel bir algoritma tarafından elde edilen uygulanabilir çözüm setleri aracılığıyla korunmuştur.
Özet (Çeviri)
Fault-tolerant control (FTC) system is one of the current fascinated approaches that has been applied in recent generations of aircraft to achieve safe, efficient, and reliable flight control systems leading to reducing the number of aviation accidents and deaths on board. Hence, the demand for developing robust flight control laws to maintain the required movement of aircraft under normal conditions and keep it safe in conditions of failure remain a major challenge in the aviation industry because it directly influences the number of accidents that occur due to loss of control during flight. From this premise, designing a fault-tolerant flight control system based on developing a smooth and non-conservative gainscheduling technique against actuator faults is the main aim of this thesis. Achieving acceptable control performance striving to maintain closed-loop stability under normal and faulty conditions by adjusting a set of tuning parameters is another challenge to achieve a reliable flight control system. Regarding this issue, Particle Swarm Optimization and fast sorting elitist multiobjective Genetic Algorithm as evolutionary algorithms were employed. The proposed fault-tolerant gain-scheduling control system deals with faults in an adaptive manner by taking actuator faults into account when solving optimization problems according to the defined cost function. Classical and optimal control theories were investigated to design fault-tolerant gain-scheduling control schemes for longitudinal motion of a Boeing 747-100/200 benchmark model. The type of faults that are undertaken for the developed control law is 50% and 80% losses of actuator effectiveness. A fractional-order PID (FOPID) controller is exploited as a local controller to synthesize the proposed fault-tolerant gainscheduling control whose design include the classical control theory-based approach along with a linear quadratic regulator (LQR) controller. This proposed approach led to optimal control theory-based fault-tolerant gain-scheduling control schemes. However, the main obstacle to directly applying the two previous controllers is the non-minimum phase nature (NMP) of longitudinal dynamics of the aircraft that restricts the direct use of feedback control approaches. In order to overcome this problem, two novel control structure approaches are proposed known as FOPID-FD and LQR-FIC controllers. The second inherent problem that has been handled in this thesis is to establish a smooth and non-conservative gainscheduling control system that exhibits high performance and stability characteristics for different flight conditions and transitions between them for the longitudinal motion of B747 under nominal and faulty flight conditions. The proposed approach focuses on allocating a specific error performance index that should be minimized for all flight conditions. Then all required performance indices were cohered according to the flight envelope in the form of a multiobjective optimization problem that could be solved using evolutionary algorithms. The proposed gain-scheduling system was built based on a FOPID-FD and 2DoF PID controllers. An auto-decision-maker was developed to adjust the parameters of the proposed gain-scheduling control system with the current flight condition. The effectiveness of the proposed gain-scheduling control structure was assessed for two different multi-objective evolutionary-based optimizers known as fast sorting, multi-objective and sub-population Genetic Algorithms (NSGA.II). The proposed methodology was evaluated by simulation results according to the quality of the Pareto-front and transient response characteristics of the proposed gain-scheduling controller for the chosen flight conditions.
Benzer Tezler
- Yapay zeka yöntemleriyle robotlarda model temelli arıza yalıtımı ve arızaya dayanıklı denetim
Model based fault isolation and fault tolerant control of robot manipulators using artificial intelligence methods
TOLGA YÜKSEL
Doktora
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH SEZGİN
- Reconfigurable modular snake robot locomotion via learning based hybrid motion control system architecture
Öğrenme temelli melez hareket kontrol sistem mimarisi ile yeniden yapılandırılabilir modüler yılan robot hareket kabiliyeti
İLYAS KOCAER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Eyleyici, sensör hatalarına ve parametre belirsizliklerine sahip mobil robotların uyarlamalı hata tolerans kontrolü
Adaptive fault tolerant control of mobile robots having actuator, sensor faults and unknown parameters
MUSTAFA AYYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
- Development of a fault tolerant flight control system for a UAV
İnsansız bir hava aracı için hata toleranslı uçuş kontrol sistemi geliştirilmesi
SITKI YENAL VURAL
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Multirotor sistemlerde doğrusal ve doğrusal olmayan denetleyici tasarımı ile hata toleranslı sistemlerin incelenmesi
Analyzing fault tolerances by developing linear and nonlinear controllers for multirotor systems
MERTCAN İNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
DR. MEHMET KARAHAN