Geri Dön

A comparative study on conventional and energy-based autopilot systems on a jet-powered aircraft

Geleneksel ve enerji tabanlı otopilot sistemlerinin jet motorlu bir hava aracında karşılaştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 945811
  2. Yazar: RUMEYSA KÖKOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Uçuş kontrol sistemlerinin gelişimi, havacılığın tarihsel ilerleyişinde hayati bir rol oynamıştır. İlk dönemlerde yalnızca yön stabilizasyonu amacıyla geliştirilen otopilot sistemleri, zamanla artan görev karmaşıklığı ve yüksek hız koşulları nedeniyle çok eksenli ve daha entegre yapılara dönüşmüştür. Bu çalışma, modern hava araçlarında kullanılan boylamsal eksenli uçuş kontrol sistemleri arasında yer alan iki temel mimarinin, yani geleneksel otopilot yapıları ile enerji temelli TECS (Total Energy Control System) mimarisinin performansını kapsamlı biçimde analiz etmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Hız ve irtifa gibi boylamsal büyüklüklerin etkili ve dengeli bir biçimde kontrol edilmesi, özellikle yüksek manevra kabiliyetine sahip hava araçlarında kritik öneme sahiptir. Bu doğrultuda, her iki kontrol yaklaşımı, matematiksel modelleme, kontrolcü tasarımı ve sayısal simülasyon ortamlarında değerlendirilmiş; elde edilen bulgularla birlikte sistemlerin güçlü ve zayıf yönleri ortaya konmuştur. Çalışmanın temelini oluşturan geleneksel otopilot mimarisi, uçuş kontrol sistemlerinin tarihsel gelişimi içerisinde uzun yıllar boyunca farklı platformlarda başarıyla uygulanmış yapıları temsil etmektedir. Bu mimari temel olarak, uçuş parametrelerinin bağımsız döngüler üzerinden kontrol edilmesini esas alır. Hız, throttle kontrolü ile; irtifa ise elevator komutları aracılığıyla yönetilir. Her bir kontrol değişkeni için genellikle PI veya PID tipi kontrolcü yapıları kullanılmakta ve kontrol döngüleri ayrı ayrı tasarlanmaktadır. Bu yapı, kontrolcü tasarım sürecini sadeleştirirken, sistem davranışlarının ayrı ayrı analiz edilebilmesine olanak tanır. Ayrıca, geleneksel mimarinin sahip olduğu modülerlik özelliği, mühendislik uygulamalarında bakım ve iyileştirme süreçlerini kolaylaştırmaktadır. Bu çalışmada, geleneksel yapı; pitch attitude, altitude ve speed autopilot olarak üç temel kontrol modülü üzerinden modellenmiştir. Pitch attitude autopilot, iç döngüde pitch açısının stabilizasyonunu sağlarken, altitude autopilot bu yapının dışında konumlanarak önce dikey hız komutu üretmekte ve ardından pitch açısı referansı oluşturmaktadır. Speed autopilot ise PI denetleyici yapısı kullanarak throttle komutları üretir ve belirli bir gerçek hava hızı referansını takip eder. Her bir kontrol modülü, loop breaking yöntemiyle açık çevrim frekans analizlerine tabi tutulmuş, kazanç ayarlamaları ise sistemin kararlılık marjlarına göre MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Geleneksel kontrol yapılarının avantajları arasında özellikle düşük görev karmaşıklığına sahip uçuş fazlarında sağladığı güvenilir performans ön plana çıkmaktadır. Sabit irtifa ve hız korunumu gibi görevlerde sistem, hedef değerleri başarılı şekilde izleyebilmekte, kontrol yüzeylerine binen yükü sınırlı tutabilmektedir. Ayrıca, sistemin anlaşılabilirliği ve mühendislik tecrübesi açısından yüksek düzeyde endüstriyel olgunluğa ulaşmış olması, bu mimarinin tercih edilme oranını artırmaktadır. Bununla birlikte, geleneksel sistemlerin temel sınırlılığı, uçuşun boylamsal ekseninde yer alan büyüklüklerin fiziksel ilişkisinin kontrol mimarisi içinde yeterince dikkate alınmamasıdır. Özellikle irtifa kazanımı sırasında hız kaybı veya hızlanma sırasında irtifa artışı gibi senaryolarda, bağımsız kontrol döngülerinin birbirini etkileyen sinyaller üretmesi, kontrol eylemlerinin çatışmasına neden olabilmektedir. Bu durum, uçuş güvenliği ve konfor açısından olumsuz etkiler yaratabilmektedir. Çalışmanın diğer yarısını oluşturan TECS mimarisi, yukarıda belirtilen sınırlılıkları ortadan kaldırmaya yönelik olarak geliştirilmiş, daha entegre ve enerji temelli bir kontrol yaklaşımı sunmaktadır. TECS, uçuş sırasında kontrol edilmek istenen hız ve irtifa büyüklüklerini, kinetik ve potansiyel enerji bileşenleri üzerinden yönetmektedir. Throttle komutları, toplam enerji oranını (E ̇) kontrol etmek amacıyla üretilirken; elevator komutları, bu enerjinin kinetik ve potansiyel formlar arasında nasıl dağıtılacağını belirlemek amacıyla kullanılmaktadır. Böylece, sistemin verdiği kontrol sinyalleri yalnızca hedef değerlerle değil, aynı zamanda fiziksel enerji dönüşüm mekanizmaları ile de ilişkilendirilmiş olur. Bu yapı, geleneksel mimarinin tersine, MIMO (Multiple Input Multiple Output) kontrol felsefesine dayanır ve çapraz etkileşimleri doğal olarak hesaba katar. TECS mimarisi, tez kapsamında sekiz aşamalı bir tasarım süreciyle gerçekleştirilmiştir. Başlangıçta throttle ve elevator kontrol döngüleri birbirinden bağımsız olarak modellenmiş, ardından bu döngüler arası etkileşimler aşamalı şekilde sisteme dahil edilmiştir. Kontrolcü kazançları, her adımda açık çevrim frekans analizleri (Bode çizimleri) ve zaman yanıtları (step response) üzerinden değerlendirilmiş; MATLAB Control System Designer aracı ile PI kontrol döngüleri yapılandırılmıştır. Entegre sistem elde edildikten sonra, uçuş sırasında hedeflenen irtifa ve hız değerlerinin takibi için ayrıca iki oransal kontrol döngüsü tasarlanmış, bu döngüler throttle ve pitch angle komutlarını üretmiştir. TECS'in performansı, özellikle hız ve irtifanın aynı anda değiştirildiği karmaşık görevlerde dikkat çekici sonuçlar üretmiştir. Geleneksel otopilotlarda throttle ve elevator komutları sıklıkla çatışırken, TECS bu eylemleri enerji oranı ve dağılımı üzerinden senkronize etmekte, kontrol yüzeylerine binen yükü azaltmakta ve hedef değerleri daha kısa sürede yakalamaktadır. Ayrıca throttle salınımlarının belirgin biçimde azalması, jet motorlu sistemlerde sistem güvenilirliğini artırmakta, yakıt tüketimini optimize etmektedir. Bununla birlikte, TECS mimarisinin daha karmaşık yapısı, tasarım süresini uzatmakta ve sistem uygulamasını daha sofistike hale getirmektedir. Sensör verilerine olan yüksek bağımlılığı, çevresel bozulmalar veya donanım kaynaklı sapmalar karşısında sistemin performansını olumsuz etkileyebilmektedir. Her iki mimari, DEHA platformu üzerinde modellenmiş, farklı görev senaryoları ile test edilmiştir. Görev senaryoları arasında sabit irtifa-hız görevleri, tırmanış-esnasında hız değişimi, ani bank açısıyla yön değiştirme ve enerji yoğun geçişler içeren kombinasyonlar yer almıştır. Simülasyon sonuçları göstermektedir ki; basit görevlerde her iki mimari de başarılı sonuçlar üretirken, enerji geçişlerinin belirgin olduğu karmaşık senaryolarda TECS daha üstün performans sergilemektedir. Geleneksel mimari, sadeliği sayesinde özellikle standart görevlerde tercih edilebilecek uygun bir yapı sunarken, TECS daha yüksek doğruluk, hassasiyet ve uçuş verimliliği gerektiren durumlarda öne çıkmaktadır. Bu çalışma, uçuş kontrol sistemlerinin tasarımında mimari seçimin yalnızca teknik kriterlere değil, aynı zamanda uçuş profiline, platformun özelliklerine ve görev gereksinimlerine göre yapılması gerektiğini ortaya koymuştur. Geleneksel mimariler, endüstride oturmuş yapıları sayesinde hızlı entegrasyon ve düşük karmaşıklık sunarken; TECS gibi enerji temelli yapılar daha ileri seviye kontrol doğruluğu ve verimlilik vaat etmektedir. Dolayısıyla, bu iki yapının birbirinin alternatifi değil, farklı görev türleri için tamamlayıcısı olarak değerlendirilmesi önerilmektedir. Gelecekte, her iki yapının avantajlarını bir araya getiren hibrit kontrol sistemlerinin geliştirilmesi, modern uçuş görevleri için daha esnek ve uyarlanabilir çözümler sağlayabilir. Ayrıca, TECS yapısının adaptif algoritmalarla desteklenmesi, çevresel belirsizliklere karşı sistemin dayanıklılığını artırabilir. Geleneksel sistemlerin ise gelişmiş uçuş yönetim sistemleri ile entegrasyonu, kontrol doğruluğunu daha da iyileştirebilir. Sonuç olarak bu tez hem geleneksel otopilot sistemlerinin hem de TECS mimarisinin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlayarak, uçuş kontrol mühendisliği alanında karşılaştırmalı bir bakış açısı sunmuştur. Her iki sistemin uygulama alanları, sınırları ve potansiyelleri açıkça ortaya konmuş; karar vericilere uçuş kontrol mimarisi seçiminde yol gösterici olacak bilimsel bir çerçeve sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

The development of flight control systems has been vital to the historical progress of aviation. Initially developed for directional stabilization only, autopilot systems have evolved into multi axis and more integrated structures due to increasing mission complexity and high speed conditions. The purpose of this study is to comprehensively analyze the performance of two basic architectures among the longitudinal axis flight control systems used in modern aircraft, namely the conventional autopilot structures and the energy based Total Energy Control System (TECS) architecture. Effective and balanced control of longitudinal states such as airspeed and altitude is critical, especially in highly maneuverable aircraft. Accordingly, both control approaches are evaluated in mathematical modelling, controller design and numerical simulation environments. Conventional autopilot architecture, which forms the basis of the study, represents the structures that have been successfully implemented on different platforms for many years in the historical development of flight control systems. This architecture is basically based on the control of flight parameters through independent loops. Airspeed is managed by throttle and altitude by elevator commands. Usually, PI or PID type controller structures are used for each control variable and control loops are designed separately. This structure simplifies the controller design process and allows the system behavior to be analyzed separately. Moreover, the modularity of conventional architecture facilitates maintenance and improvement processes in engineering applications. In this study, conventional structure is modeled through three basic control modules: pitch attitude, altitude and speed autopilot. While the pitch attitude autopilot stabilizes the pitch angle in the inner loop, the altitude autopilot is positioned outside this structure and first generates vertical speed commands and then generates a pitch angle reference. The speed autopilot generates throttle commands using a PI controller structure and follows a specific true airspeed reference. Each control function is subjected to open loop frequency analysis by loop breaking method and gain tuning is performed in MATLAB/Simulink environment according to the stability margins of the system. Among the advantages of conventional control structures, reliable performance is particularly important in flight stages with low mission complexity. In missions such as maintaining constant altitude and airspeed, the system can successfully track reference values and limit the load on the control surfaces. Furthermore, the high level of industrial maturity in terms of system comprehensibility and engineering experience increases the preference of this architecture. However, the main limitation of conventional systems is that the physical relationship of the states in the longitudinal axis is not sufficiently considered in the control architecture. Especially in scenarios such as loss of airspeed during climb or climb during acceleration, independent control loops generate commands that affect each other, which can lead to conflicting control actions. This can have negative effects on flight safety and comfort. TECS architecture, which constitutes the other half of the study, offers a more integrated and energy based control approach developed to overcome the limitations mentioned above. TECS manages the airspeed and altitude states to be controlled during flight through kinetic and potential energy components. Throttle commands are generated to control the total energy rate (E ̇), while elevator commands are used to determine how this energy is distributed between the kinetic and potential energy. Thus, the control signals given by the system are not only associated with reference values, but also with physical energy conversion mechanisms. In contrast to conventional architecture, this structure is based on MIMO control philosophy and inherently takes couple effects into account. TECS architecture was implemented through an eight steps design process in this thesis. Initially, throttle and elevator loops were modeled independently, and then the couple effects between these loops were gradually incorporated into the system. At each step, the controller gains were evaluated through open loop frequency analysis, and PI control loops were configured with MATLAB/Simulink. After the integrated system was obtained, two proportional control loops were designed to track the reference altitude and airspeed values during flight, and these loops generate the throttle and pitch angle commands. The performance of TECS has produced remarkable results, especially in complex missions where airspeed and altitude are changed simultaneously. While throttle and elevator commands often conflict in conventional autopilots, TECS synchronizes these actions through energy rate and distribution, reducing the load on the control surfaces and achieving reference values in less time. In addition, the significant reduction in throttle deviations increases system reliability and optimizes fuel consumption in jet engine systems. However, the more complex structure of TECS increases design time and makes system implementation more sophisticated. Its high dependency on sensor data can adversely affect the performance of the system in the presence of environmental disturbances or hardware induces deviations. Both architectures were modeled on the mathematical model of DEHA and tested with different mission scenarios. The mission scenarios included constant altitude and airspeed missions, climbing during airspeed changes, sudden bank angle changes and combinations with energy intensive transitions. Simulation results show that while both architectures perform well in simple missions, TECS outperforms in complex scenarios with significant energy transitions. The simplicity of conventional architecture makes it particularly suitable for standard missions, while TECS stands out in situations requiring higher accuracy, precision and flight efficiency. This study has shown that the choice of architecture in the design of flight control systems should be based not only on technical criteria, but also on the flight profile, platform characteristics and mission requirements. While conventional architectures offer fast implementation and low complexity due to their industry established nature energy based architectures such as TECS promise higher levels of control accuracy and efficiency. Therefore, it is recommended that these two architectures should not be considered as alternatives, but rather as complements for different types of missions. In the future, the development of hybrid control systems that combine the advantages of both structures can provide more flexible and adaptive solutions for modern flight missions. Furthermore, supporting TECS structure with adaptive algorithms can increase the robustness of the system against environmental uncertainties. Integration of conventional systems with advanced flight management systems can further improve control accuracy. In conclusion, this thesis has provided a comparative perspective in the field of flight control engineering by providing a comprehensive evaluation of both conventional autopilot systems and TECS architecture. The application areas, limitations and potentials of both systems have been clearly demonstrated, and a scientific framework has been presented to guide decision makers in their choice of flight control architecture.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    942971

    Cfd-based pı/pıd controller for velocıty and headıngcontrol of the darpa suboff

    Had tabanlı PI/PID kontrol yaklaşımı ile darpa suboffdenizaltısının hız ve rota kontrolü

    DUYGU ÜNLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAD DELEN

  2. Tez No

    828141

    Design and evaluation of energy management systems for connected hybrid and electric vehicles

    Bağlantılı hibrit ve elektrikli araçlar için enerji yönetim sistemleri geliştirilmesi ve değerlendirilmesi

    ABDULEHAD ÖZDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ

  3. Tez No

    961151

    DSM-FCM based FMEA considering relationships between failure modes

    Hata türleri arasındaki ilişkileri dikkate alan tasarım yapı matrisi ve bulanık bilişsel haritalara dayalı hata türleri ve etkileri analizi

    ŞEVVAL BEGÜM DEMİREL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UMUT ASAN

  4. Tez No

    941176

    Evidence-based analysis of Türkiye's energy efficiency obligation scheme: sectoral applications, energy poverty, flexibility options and policy implications

    Türkiye enerji verimliliği yükümlülükleri sisteminin kanita dayali analizi: sektörel uygulamalar, enerji yoksulluğu, esneklik seçenekleri ve politika çikarimlari

    RABİA CİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERMİN ONAYGİL

  5. Tez No

    864175

    Deprem yalıtımlı ve ek sönümleyicili olarak tasarlanan iki yapının genel yapı parametreleri üzerinden karşılaştırılması

    Comparison of two structures designed as seismically isolated and with supplementary damping system in terms of global structural response parameters

    RAMAZAN ÖZGÜR İRİDERE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KUTLU DARILMAZ

Geri Dön