Comparison of classical and modern controller performances for nonlinear F-16 system under fault and uncertainty
Arıza ve belirsizlik koşulları altında doğrusal olmayan F-16 sistemi için klasik ve modern kontrolcü performanslarının karşılaştırılması
- Tez No: 928405
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Modern havacılık sistemlerinin giderek artan karmaşıklığı, uçakların performans gereksinimlerini ve kontrol teknolojilerinin önemini artırmıştır. Günümüz uçakları, geniş uçuş zarflarında karmaşık operasyonlar gerçekleştirebilmekte, agresif manevralar yapabilmekte ve hem insanlı hem de insansız olarak çalışabilmektedir. Özellikle insansız hava araçlarının (İHA) kullanımı, insan fizyolojik sınırlarının ötesine geçilmesine olanak tanımış ve bu platformların daha geniş dinamiklerde görev yapmasını sağlamıştır. Ancak, bu gibi doğrusal olmayan dinamiklere sahip sistemlerin kontrolü klasik kontrol yöntemleriyle sınırlıdır. Klasik kontrolörlerin, geniş uçuş zarflarındaki belirsizliklerle başa çıkma yeteneği sınırlı olduğundan, modern kontrol yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, F-16 gibi doğrusal olmayan bir uçak modelinde klasik ve modern kontrol yöntemlerinin performanslarını karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Uçuş kontrol sistemleri, bir uçağın stabilitesini ve manevra kabiliyetini sağlamak için kritik öneme sahiptir. Bu sistemler, uçağın aerodinamik kuvvetlerini ve momentlerini düzenleyerek belirli bir uçuş yörüngesini veya manevrayı gerçekleştirmesini sağlar. Tarih boyunca, mekanik bağlantılarla başlayan uçuş kontrol teknolojisi, daha sonra hidrolik sistemlerle geliştirilmiş, günümüzde ise elektronik ve optik sistemlerle birleştirilmiştir. Uçuş kontrol sistemlerinin evrimi, hem ticari uçuşlar hem de askeri operasyonlar için uçakların güvenilirliğini artırmıştır. PID kontrolörleri, doğrusal sistemleri yönetmede etkili olmasına rağmen, F-16 gibi modern uçaklarda yaygın olan doğrusal olmayan dinamiklerin karmaşıklıklarıyla başa çıkmakta yetersiz kalmaktadır. Doğrusal olmayan sistemler, geniş uçuş zarfları veya agresif manevralar gibi farklı çalışma koşulları arasında önemli ölçüde değişen davranışlar sergiler ve sabit kazançlara dayanan PID kontrolörleri, bu değişkenlere uyum sağlayamaz. Bu sınırlamaları aşmak için Doğrusal Olmayan Dinamik Tersleme (NDI) ve Artırımlı Doğrusal Olmayan Dinamik Tersleme (INDI) gibi modern kontrolörler geliştirilmiştir. NDI, sistem dinamiklerini matematiksel olarak tersine çevirerek doğrusal olmayanlıkları ortadan kaldırır ve geniş bir çalışma aralığında hassas kontrol sağlar; ancak, bu yöntem, sistem modelinin doğru olmasını gerektirir ve bu da belirsizlikler altında bir dezavantaj olabilir. INDI, NDI'ya kıyasla doğrusal olmayan sistemin yalnızca artımsal değişimlerine odaklanarak model bağımlılığını azaltır ve bu da onu gerçek dünya senaryolarında daha dayanıklı ve uyarlanabilir hale getirir. Bu modern kontrolörler, uçakların agresif manevralar gerçekleştirmesini, aktüatör arızalarını yönetmesini ve dinamik ve belirsiz ortamlarda etkili bir şekilde çalışmasını sağlar; böylece kararlılık, dayanıklılık ve genel performansta önemli ilerlemeler sunar.Bu tez, bu bağlamda doğrusal olmayan bir sistemde hem klasik (PID) hem de modern (NDI ve INDI) kontrol yöntemlerini değerlendirerek literatüre katkı sunmayı hedeflemektedir. Bu tez, altı bölümden oluşmaktadır ve her biri araştırmanın farklı bir yönüne odaklanmaktadır. İlk bölümde tezin motivasyonu ve amacı ele alınmakta, sonraki bölümlerde ise modelleme, kontrol tasarımı, uygulama ve sonuçların detaylı analizi sunulmaktadır. Giriş: Giriş bölümünde, modern havacılık sistemlerinin artan karmaşıklığına ve doğrusal olmayan dinamiklerle başa çıkmanın önemine değinilmiştir. Klasik kontrolörlerin sınırlamaları açıklanarak, bu durumun modern kontrol yöntemlerine olan ihtiyacı artırdığı vurgulanmıştır. Literatür incelemesi kapsamında, F-16 uçak modelleme ve kontrol sistemleri üzerine yapılan önceki çalışmalar detaylandırılmıştır. Özellikle NDI ve INDI yöntemlerinin literatürdeki kullanımları ve bu yöntemlerin model belirsizliklerine karşı dayanıklılıkları ele alınmıştır. Modelleme: Bu bölümde, F-16 uçağının doğrusal olmayan dinamikleri detaylı bir şekilde modellenmiştir. Modelleme süreci, uçağın aerodinamik özelliklerini, hareket denklemlerini, kuvvet ve moment hesaplamalarını kapsamaktadır. Aerodinamik parametrelerin yanı sıra, koordinat dönüşümleri ve bu dönüşümlerin doğruluk üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Simulink ortamında yüksek doğruluklu bir model oluşturulmuş, bu modelin hem kontrol tasarımı hem de simülasyon süreçlerinde temel bir araç olarak kullanılması sağlanmıştır. Modelleme sürecinde, aktüatör dinamikleri ve kontrol yüzeylerinin etkileri de dahil edilmiştir. Kontrol Tasarımı: Bu bölümde, üç farklı kontrol yöntemi PID, NDI ve INDI detaylı bir şekilde incelenmiştir. PID kontrolörü, temel bir klasik kontrol yöntemi olarak nominal koşullarda performans değerlendirmesi için uygulanmıştır. NDI kontrolörü, doğrusal olmayan dinamikleri tersine çevirerek doğrusal bir kontrol zemini sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Ancak, NDI'nın model bağımlılığı, sistem belirsizlikleri altında performansını sınırlamaktadır. INDI kontrolörü ise, bu model bağımlılığını azaltarak daha dayanıklı bir kontrol yöntemi sunmaktadır. Bu bölümde her bir kontrolörün matematiksel formülasyonları, tasarım aşamaları ve beklenen performansları detaylı bir şekilde sunulmuştur. Simülasyon Uygulamaları: Bu bölümde, F-16 modeli ve kontrolörlerin MATLAB/Simulink ortamında nasıl uygulandığı anlatılmıştır. Aerodinamik parametrelerin, hareket denklemlerinin ve kontrol sistemlerinin entegrasyonu adım adım açıklanmıştır. Uygulama sürecinde, sistemin simülasyon doğruluğunu artırmak için hassas parametre ayarları yapılmıştır. Ayrıca, farklı kontrolörlerin entegrasyonu sırasında karşılaşılan teknik zorluklar ve bu zorlukların nasıl aşıldığı detaylandırılmıştır. Simülasyon Sonuçları: Simülasyon sonuçları, PID, NDI ve INDI kontrolörlerinin performanslarını kapsamlı bir şekilde değerlendirmiştir. Simülasyonlar hem nominal koşullarda hem de aktüatör arızaları ve model belirsizlikleri gibi gerçekçi senaryolarda gerçekleştirilmiştir. Adım ve sinüzoidal komutlar kullanılarak kontrolörlerin izleme doğruluğu, stabilite ve dayanıklılığı karşılaştırılmıştır. INDI kontrolörünün özellikle model belirsizlikleri ve arızalar altında üstün performans gösterdiği tespit edilmiştir. NDI kontrolörünün ise INDI'ye göre daha fazla model bağımlılığı sergilediği ancak klasik kontrol yöntemlerine kıyasla çok daha etkili olduğu gözlemlenmiştir. Sonuçlar: Bu tezde elde edilen bulgular, klasik ve modern kontrol yöntemlerinin güçlü ve zayıf yönlerini açıkça ortaya koymuştur. PID kontrolörünün nominal koşullarda yeterli performans sağladığı, ancak geniş uçuş zarflarında ve model belirsizlikleri altında yetersiz kaldığı görülmüştür. Modern kontrol yöntemlerinin, özellikle INDI kontrolörünün, doğrusal olmayan sistemlerde üstün bir performans sunduğu sonucuna varılmıştır. INDI'nin, hem nominal koşullarda hem de belirsizlik senaryolarında en iyi sonuçları verdiği tespit edilmiştir. Gelecek çalışmalar kapsamında, INDI kontrolörlerinin gerçek zamanlı sistemlerde uygulanabilirliğini artırmak için yeni algoritmaların geliştirilmesi önerilmiştir. Ayrıca, daha geniş uçuş zarfları ve daha karmaşık arıza senaryolarını içeren testlerin gerçekleştirilmesi bu çalışmanın bir sonraki adımı olarak önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
The motivation for this thesis stems from the growing complexity of modern aircraft systems and the limitations of classical control methods in managing nonlinear dynamics. As aviation advances, with aircraft performing more aggressive maneuvers and operating across wider flight envelopes, robust and adaptable control systems become essential. This thesis aims to address these challenges by comparing classical and modern controllers in managing the nonlinear dynamics of an F-16 aircraft model, focusing on performance under nominal conditions, actuator faults, and model uncertainties. Flight control systems play a critical role in ensuring the stability, maneuverability, and safety of aircraft during operation. These systems manage the forces and moments acting on the aircraft to maintain desired flight trajectories or perform specific maneuvers. Without advanced flight control, modern aircraft would be unable to perform complex operations, making them essential for both manned and unmanned aviation. The increasing demand for robust and adaptive control techniques underlines the importance of this field. PID controllers are effective for managing linear systems but struggle with the complexities of nonlinear dynamics, which are common in modern aircraft like the F-16. Nonlinear systems exhibit behaviors that change significantly across different operating conditions, such as wide flight envelopes or aggressive maneuvers, and PID controllers, with their fixed gains, cannot adapt to these variations. To overcome these limitations, modern controllers like Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) and Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) have been developed. NDI cancels nonlinearities by mathematically inverting the system dynamics, allowing precise control across a wide range of conditions, but it requires an accurate model, which can be a drawback under uncertainties. INDI improves upon NDI by focusing on incremental changes and reducing reliance on precise modeling, making it more robust and adaptable in real-world scenarios. These modern controllers enable aircraft to perform aggressive maneuvers, handle actuator faults, and operate effectively under dynamic and uncertain environments, providing significant advancements in stability, robustness, and overall performance. This thesis is structured into six chapters, each addressing a specific aspect of the research. The chapters collectively guide the reader through the motivation, modeling, design, implementation, and evaluation of classical and modern controllers. The thesis begins with an introduction and concludes with insights into the findings and future work directions. Introduction: This chapter introduces the motivation and purpose of the thesis. It discusses the evolution of flight control systems, highlighting the limitations of classical methods and the need for modern controllers like NDI and INDI. The chapter also provides a literature review, summarizing existing research on F-16 modeling and advanced control systems. Modeling: In this chapter, the nonlinear dynamics of the F-16 aircraft are modeled. Key topics include the F-16's characteristics, coordinate transformations, equations of motion, and aerodynamic modeling. A high-fidelity Simulink model of the F-16 is developed, incorporating these dynamics to serve as the foundation for controller design. Controller Design: This chapter focuses on the design and development of PID, NDI, and INDI controllers. The PID controller is implemented as a baseline classical method, while NDI and INDI are designed to handle the nonlinear dynamics and uncertainties of the F-16. Their mathematical formulations and expected performance are detailed. Implementation of F-16 Model and Controllers in Simulation: This chapter describes how the F-16 model and controllers were implemented in MATLAB/Simulink. The integration of aerodynamic parameters and control equations into the simulation environment is detailed, along with the step-by-step implementation of the controllers. Simulation Results: This chapter evaluates the performance of the PID, NDI, and INDI controllers. Simulations are conducted under nominal conditions, as well as scenarios involving actuator faults and model uncertainties. The results are presented and analyzed for both step and sinusoidal commands, comparing tracking accuracy, stability, and robustness. Conclusions: The findings of the thesis are summarized, emphasizing the strengths and limitations of classical and modern controllers. It concludes that while PID controllers perform adequately under nominal conditions, NDI and INDI offer superior performance in managing nonlinear dynamics and uncertainties, with INDI showing the best overall results. Future Work explores opportunities for extending this research, including testing additional fault scenarios, expanding to broader flight envelopes, and exploring new techniques for real-time implementation of INDI controllers.
Benzer Tezler
- F-16 hava aracının doğrusal olmayan dinamik tersleme tabanlı dayanıklı kontrol yöntemleri ile kontrolü
Control of F-16 aircraft with nonlinear dynamic inversion based robust control methods
BUSE EMİNE DURMAZ ÇALICIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
- Sincap kafesli asenkron makinalarda modern kontrol yöntemlerinin uygulanması
The Application of modern control methods in squirrel cage induction machines
METİN GÖKAŞAN
Doktora
Türkçe
1989
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. TAMER KUTMAN
- Robust and intelligent control of unmanned aerial vehicles
İnsansız hava araçlarının akıllı ve gürbüz kontrolü
ABDURRAHMAN BAYRAK
Doktora
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÖNDER EFE
- Pnömatik olarak tahrik edilen bir robot kolunda uygun konum kontrolunun araştırılması
Position control analysis for a pneumaticaly driven robot arm
CEMAL BAYKARA
- Bulanık mantık uygulamasıyla DC motorun hız kontrolü
DC motor speed kontrol by fuzzy logic apication
MOHAMMAD M. FARIS
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURSEL AKÇAM