Geri Dön

Nonlinear model predictive control with real time iteration for F-16 attitude control

F-16 duruş kontrolü için gerçek zamanlı iterasyon iledoğrusal olmayan model öngörülü kontrol

PDF İndir

  1. Tez No: 887688
  2. Yazar: SİYAMİ GÜRKAN KUZUCU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Uçak Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

İnsansız hava araçları günümüzde askeri ve sivil alanda etkinliğini günden güne arttırmaktadır. Havacılıkta askeri alanda insan bağımlılığını azaltmak önem arz etmektedir. Ancak savaş uçaklarının insansız hale evrilmesi zorlu bir alandır. Bu araçlar çevik, yüksek hızlı ve yüksek maliyetli araçlardır. Savaş uçaklarının ekstrem uçuş koşullarında dahi otonom bir şekilde uçuş gerçekleştirebilmesi hala açık konulardan biri olduğu için araştırmacılar ve mühendisler tarafından ilgi görmektedir. Bu çalışmada bir savaş uçağı olan F-16A Block-32 hava aracının seçilme sebebi bu nedenledir. F-16A Block-32, General Dynamics tarafından geliştirilen ve günümüzde Lockheed Martin tarafından üretilen F-16 Fighting Falcon serisinin bir varyantıdır. 1980'lerin ortasında hizmete giren bu model, Pratt & Whitney F100-PW-220 motoruyla donatılmış olup, yüksek itme gücü ve güvenilirlik sunar. F-16A Block-32, gelişmiş aviyonik sistemleri ve çok amaçlı görev yetenekleriyle dikkat çeker. Hava-hava ve hava-yer görevlerinde üstün performans sergileyen bu uçak, hafif yapısı ve yüksek manevra kabiliyeti sayesinde birçok hava kuvveti tarafından tercih edilmiştir. F-16A Block-32'nin çevikliği, onu modern savaş uçakları arasında öne çıkaran en önemli özelliklerinden biridir. Hafif yapısı ve aerodinamik tasarımı sayesinde yüksek manevra kabiliyeti sunar. Bu özellikler, F-16A Block-32'yi dogfight senaryolarında ve düşük irtifa uçuşlarında son derece etkili kılar. Sabit kanatlı bir hava aracının kontrolü genelde kademeli bir yapıya sahiptir. Dış çevrimde genelde doğrusal konumlar ve doğrusal hızlar kontrol edilirken iç çevrimde açısal pozisyon ve açısal hızlar kontrol edilmektedir. Dış çevrim ve iç çevrimde genelde PID tabanlı kontrolcüler kullanılır. Bu çevrimlerin kazançları aracın tasarım hızına göre ayarlanırken başka hız değerlerinde de kontrolcünün doğru çıktılar üretebilmesi için iç çevrime hıza bağlı kazanç değişimi eklenir. Bu yapı genel olarak iyi çalışmasına rağmen dinamikleri hızlı değişen çevik araçlar için ekstrem uçuş koşullarında uygun olmayabilir. Aracın hızlı değişen dinamiği ve doğrusal olmayan bir davranış sergilemesi bu noktada hava aracının kontrolü için klasik kontrolcü yapılarının yetersiz olabileceği ihtimalini doğurmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada bir savaş uçağının iç çevrimini kontrol etmek için modern kontrol tekniklerinden biri olan doğrusal olmayan model öngörülü kontrol seçilmiştir. Doğrusal Olmayan Model Öngörülü Kontrol (NMPC), bir sistemin gelecekteki davranışını tahmin etmek ve bu tahminlere dayalı olarak en uygun kontrol eylemlerini belirlemek için kullanılan bir ileri kontrol stratejisidir. Doğrusal olmayan model öngörülü kontrol, sistem dinamiklerinin doğrusal olmayan doğasını dikkate alarak, belirli bir zaman dilimi boyunca sistemin modelini kullanarak gelecekteki çıktılarını tahmin eder. Bu süreçte, optimizasyon teknikleri kullanılarak kontrol sinyalleri belirlenir ve bu sinyaller, belirli kısıtlar altında sistemin istenen performansını sağlamayı amaçlar. Doğrusal olmayan model öngörülü kontrolün en büyük avantajlarından biri, kontrol eylemlerini belirlerken sistem kısıtlarını doğrudan entegre edebilmesi ve bu sayede daha güvenli ve etkili bir kontrol sağlamasıdır. Ayrıca NMPC, farklı uygulamalara uyarlanabilir ve çeşitli endüstrilerde geniş bir uygulama yelpazesi sunar. Robotik, havacılık, otomotiv ve kimya endüstrisi gibi alanlarda yaygın olarak kullanılır. NMPC, çevrim içi optimizasyon yeteneği sayesinde değişen operasyonel koşullara uyum sağlar. Bu, sistem parametrelerindeki değişiklikler veya dış etkiler gibi durumlarda bile etkin kontrol sağlar. Özellikle karmaşık ve değişken çevresel koşullara sahip uygulamalarda, doğrusal olmayan model öngörülü kontrol geleneksel kontrol yöntemlerine kıyasla daha üstün performans gösterebilir. Kullanılan optimizasyon yöntemi bu noktada büyük önem arz etmektedir. Gerçek zamanlı uygulamalarda optimizasyon probleminin hızlıca çözülebilmesi güçlü donanımlar gerektirirken, optimizasyon yönteminin seçimi de bu gereksinim seviyesinin belirlenmesinde önem arz eder. Gerçek Zamanlı İterasyon (RTI), Model Öngörülü Kontrol (MPC) problemlerinin çözümünde kullanılan bir optimizasyon yöntemidir. RTI, özellikle hızlı ve dinamik sistemlerde kontrol hesaplamalarının gerçek zamanlı olarak yapılmasını sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Bu yöntem, her bir kontrol döngüsünde yalnızca bir optimizasyon iterasyonu gerçekleştirerek hesaplama süresini önemli ölçüde azaltır. RTI'ın diğer optimizasyon yöntemleri ile kıyaslanması için SQP'den (Sequential Quadratic Programming) ve Tek Adımlı Newton Optimizasyonundan bahsedilebilir. SQP, bir dizi ikinci dereceden alt problemi iteratif olarak çözerken, doğruluk ve yakınsama garantisi sağlar. Tek Adımlı Newton Optimizasyonu, ikinci dereceden türevleri kullanarak hızlı yakınsama sağlar ancak başlangıç tahminlerine oldukça duyarlıdır. Dolayısıyla yakınsama garantisi vermez. RTI'ın tek adımlı Newton optimizayondan farkı ise sistemden gelecek geri besleme değeri gelene kadar optimizasyonun geri beslemeden bağımsız kısımlarını hesaplayarak geri besleme geldiğinde optimizayon çözümüne hızlıca ulaşıp sisteme kontrol girşi verebilmesidir. Bu sayede, karmaşık sistemlerin bile yüksek frekansta kontrol edilmesi mümkün olur. RTI, sistem modelinin ve kontrol hedeflerinin doğrusal olmayan yapısını dikkate alarak, optimizasyon problemini gerçek zamanlı olarak çözer. Bu yaklaşım, kontrol eylemlerinin hızlı ve etkin bir şekilde belirlenmesini sağlar ve böylece sistemin anlık değişimlerine hızlıca yanıt verilebilir. Bu çalışmada kullanılan hava aracının bir savaş uçağı olması sebebi ile gerçek zamanlı iterasyon yöntemi tercih edilmiştir. Gerçek Zamanlı İterasyon (RTI) ile doğrusal olmayan model öngörülü kontrol algoritmasının etkin bir şekilde test edilmesi ve doğrulanması için güvenilir bir simülasyon ortamı gereklidir. Bu amaçla, JSBSim ve Unreal Engine gibi ileri simülasyon araçları kullanılmaktadır. JSBSim, uçuş dinamikleri simülasyonu için açık kaynaklı ve yüksek doğruluklu bir araç olup, uçakların fiziksel ve aerodinamik davranışlarını detaylı bir şekilde modellemeye olanak tanır. Bu simülasyon ortamında, 3 boyutlu uzayda 6 boyutlu serbestlik değişkenli bir F-16 modeli Newton-Euler denklemleriyle modellenmiştir. Modelde hava aracının hücum açısına, kontrol yüzeyine, açısal hızına vs. bağlı olan aerodinamik tabloları referaslarıyla yer almaktadır. Ayrıca hava aracının ağırlık merkezinin yakıt tüketimine göre değişimi, ağırlık merkezine göre aracın dinamik cevabının değişimi ve kontrol yüzeylerinde yer alan servo modeli ile itki motorunun detaylı modeli de ortam içerisinde yer almaktadır. Öte yandan, Unreal Engine, görselleştirme ve gerçekçi grafikler için güçlü bir platform sunar. Unreal Engine, Epic Games tarafından geliştirilen güçlü bir oyun motorudur. Yüksek kaliteli grafikler, gelişmiş fizik motoru ve esnek programlama seçenekleri sunar. Oyun geliştirme, simülasyon ve VR projelerinde yaygın olarak kullanılır. Çalışmada, Unreal Engine ortamına F-16 hava aracının objesi eklenerek görselleştirme sağlanmıştır. Bu iki araç birlikte kullanılarak, algoritma performansı hem sayısal hem de görsel olarak değerlendirilebilir. JSBSim, uçağın dinamik tepkilerini simüle ederken, Unreal Engine bu tepkileri görselleştirerek daha gerçekçi bir analiz yapılmasını sağlar. Bu entegre simülasyon ortamı, algoritmanın çeşitli senaryolar altında nasıl davrandığını gözlemlemek ve optimize etmek için ideal bir platform sunar. JSBSim'in Unreal Engine için hazır konfigürasyon barındırması da kullanım kolaylığı açısından önemli bir getiri sunarken, ortam için bu ikilinin belirlenmesinde bu durum önemli bir rol oynamıştır. Bu iki sistem bu çalışmada kullanılmıştır. PID ve RTI tabanlı NMPC kontrolcüleri F-16A Block-32 hava aracının dinamik modeli üzerinde dikilme açısı, yatış açısı ve hava hızı kontrolü için test edilmiştir. Bu test sonuçları göstermiştir ki, PID kontrolcüsü uygulama açısından büyük kolaylık sağlayabilir ve RTI tabanlı NMPC kontrolcüsü ile çevik bir hava aracının hızlı dinamiklerinin kontrol edilmesi mümkün olabilir. Bu çalışma toplamda 6 bölümden meydana gelmektedir. İlk bölümde tezin amacından ve tezin konusuna benzer literatürdeki çalışmaların özetleri bulunmaktadır. Bu çalışmalar ile neden doğrusal olmayan model öngörülü kontrol ve gerçek zamanlı iterasyon optimizasyon yönteminin kullanıldığı ortaya çıkarılmıştır. İkinci bölümde öncelikle sabit kanatlı bir hava aracının modellemesinin yapılabilmesi için koordinat takımları, kuvvet ve moment hesapları ve dinamik modelleme kısımları anlatılmıştır. Daha sonra kontrolcü yapıları kısmı için PID kontrolcü yapısı ve gerçek zamanlı iterasyon tabanlı doğrusal olmayan model öngörülü kontrolünün temel mantığı ile teknik detayları anlatılmıştır. Kontrolcünün denenmesi için dinamik hava aracı modelinin ve görselleştirmenin hangi ortamda oluşturulacağı üçüncü bölümde anlatılmıştır. Simülasyon ortamı için seçilen JSBSim ve Unreal Engine hakkında bilgiler verilirken, dinamik modellemede yer alan F-16 hava aracının fiziksel ve aerodinamiksel özelliklerinden bahsedilmiştir. İlgili bölümde ayrıca hava aracının statik ve dinamik kararlılığı aerodinamik veriler ile incelenerek, hava aracının boylamsal ve yanal eksende yer alan uçuş modları anlatılmıştır. Dördüncü bölümde çalışmada kullanılan kontrolcü yapıları olan PID ve NMPC'nin implementasyonlarındaki detaylardan bahsedilmiştir. Algoritma için gerekli olan ayrık modellerin boylamsal ve yanal eksen için nasıl oluşturulduğu detaylarıyla anlatılmıştır. Maliyet fonksiyonunun hem boylamsal hem yanal eksen için nasıl tanımlandığı da bahsedilen konulardan biridir. Optimizasyon için kullanılacak Langrange fonksiyonunun genel yapısı ile Jacobian ve Hessian matrislerinin oluşturulması için maliyet fonksiyonu, kısıtlar ve eşitsizlik kısıtları ile ayrık modelin türevinin nasıl bulunduğu detaylarıyla açıklanmıştır. Bölüm beşte, farklı komut girişlerine karşı kontrolcülerin simülasyon cevapları verilirken, bölüm altıda bu cevaplar üzerinden sonuçlar oluşturulmuştur. Ayrıca gelecekte yapılacak olan çalışmalar tartışılmıştır.

Özet (Çeviri)

The enduring presence of the F-16 Fighting Falcon in global military fleets underscores its unparalleled versatility, reliability, and cost-effectiveness, decades after its initial introduction. Designed in the 1970s as a response to the need for a high-performance, multi-role fighter aircraft. Unlike conventional aircraft, the F-16's flight dynamics are significantly influenced by its relaxed static stability and fly-by-wire control system, which together facilitate a level of manoeuvrability that is both a marvel and a challenge to replicate in simulation and control algorithms. This complexity is further accentuated by the aircraft's ability to perform high-g manoeuvres and operate across a wide range of speeds and altitudes, presenting a multifaceted challenge for aerodynamicists and control engineers alike. Understanding and accurately modelling the F-16's flight dynamics are crucial for developing advanced flight control systems, such as Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), that can leverage the aircraft's full potential while ensuring safety and efficiency. This study explores the deployment of a nonlinear Model Predictive Control (NMPC) framework for the attitude control of the F-16 fighter aircraft, underpinned by a Real-Time Iteration (RTI) optimization strategy. The study emphasizes the NMPC's capacity to adeptly manage the aircraft's nonlinear dynamics, offering a superior alternative to traditional control strategies by integrating constraints directly and optimizing control actions based on future trajectory predictions. A pivotal element of this research is the selection of the RTI method for optimization, chosen for its robustness in solving nonlinear problems and its adaptability to real-time requirements. This method ensures that the control strategy remains computationally viable while effectively managing the intricate dynamics of F-16 flight, thus facilitating real-time operational capabilities. This study consists of six chapters. In the first chapter, the aim of the thesis is discussed along with a literature review. The second chapter, titled“System Modeling and Control,”covers the mathematical modeling of the aircraft, including coordinate frames, forces and moments, dynamic modeling, PID controller, nonlinear model predictive control (NMPC), and real-time iteration. The third chapter discusses the simulation environment and stability. In this context, detailed information about the JSBSim and Unreal Engine simulation environments used in the study is provided, along with discussions on the static and dynamic stability of the aircraft. The fourth chapter focuses on the implementation of the controllers. Detailed information on the implementation of PID and RTI-based NMPC is included in the study. The fifth chapter presents the simulation results of the control structures used, with results analyzed through graphs. The final chapter, the sixth chapter, discusses the general conclusions of the study, the details of the problems encountered during the implementation phases, and future research on NMPC.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    66601

    Lineer olamayan devreler ve sistemlerin frekans domeninde analizi

    Analysis of nonlinear systems in frequency domain

    İSMAİL HAKKI MARANGOZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. F. ACAR SAVACI

  2. Tez No

    737880

    An artificial neural network based emergency controller to improve transient stability in power systems

    Güç sistemlerinde geçici kararlılığı artırmak için yapay sinir ağı tabanlı acil durum kontrolörü

    KASRA MONTAKHABI OSKOUEI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ

  3. Tez No

    353688

    Borsa istanbul (BIST) hisse fiyat değişim yönünün ilişkisel borsa ağı kullanılarak tahmin edilmesi

    Forecasting stock price change direction using relational stock market network on borsa Istanbul (BIST)

    BİRCAN ERGÜR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEHRA ÇATALTEPE

  4. Tez No

    822256

    Tailored indirect algorithms for efficient on-line optimization of batch and semi-batch processes

    Kesikli ve yari kesikli süreçlerin çevrimiçi optimizasyonuna yönelik özel yapimli dolayli algoritmalar

    ERDAL AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOtto von Guericke University

    Kimya ve Süreç Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAI SUNDMACHER

  5. Tez No

    751819

    Hibrit ve kaotik metasezgisel arama algoritmaları kullanarak model öngörülü kontrol yapıları tasarımı

    Hybrid and chaotic metaheuristic algorithms and design of model predictive control structures

    MURAT ERHAN ÇİMEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ FUAT BOZ

Geri Dön