Theses supervised by Prof. Dr. Muammer Gökbulut
10 theses · Fırat University
Sıvı seviye ve akış sistemlerinin modellenmesi, simülasyonu ve mikro denetleyicilerle kontrolünün gerçekleştirilmesi
ÖZET Bu tez çalışmasında, endüstriyel amaçlı seviye ve akış transduseri, solenoid ve oransal vana ile birlikte mikro işlemci esaslı süreç kontrolörlerle donatılan bir sıvı seviye ve akış kontrol sistemi hazırlanmıştır. Öncelikle kontrol sistemlerinde kullanılan transduserler ve vanaların karakteristikleri çıkarılmış ve endüstriyel süreç kontrolörlerin kullanımı ve programlanması araştırılmıştır. Hazırlanan kontrol düzeneklerinin deneysel olarak elde edilen basamak cevaplarından yararlanarak yaklaşık matematiksel modelleri çıkarılmıştır. Bulunan yaklaşık matematiksel modeller, PID kontrolör tasarımı ve PID parametresi ayarlama yöntemleri için kullanılmıştır. Deneysel olarak elde edilen matematiksel modellerden yararlanarak sıvı seviye ve sıvı akış kontrol sistemleri için köklerin yer eğrisi tekniği ile PID kontrolör tasarımı incelenmiş ve MATLAB/Simulink ortamında kontrol sisteminin simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Diğer taraftan sistemlerin deneysel olarak elde edilen cevaplarından yararlanarak Ziegler–Nichols gibi çeşitli PID parametresi ayarlama yöntemleri ile PID kontrolörün parametreleri hesaplanmıştır. Kontrol sisteminden elde edilen simülasyon ve deneysel sonuçlar, kontrol sisteminin performansının tatmin edici olduğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Süreç denetleyiciler, Sıvı Seviye Kontrolü, Sıvı Akış Kontrolü, PID Kontrol, Aç-Kapa Kontrol.
Statik senkron kompanzatörlerin yapay sinir ağları ile kontrolü
Günümüzde enerji talebinin artması ve hassas cihazların kullanımının yaygınlaşması, enerji verimliliği ve güç kalitesi gibi kavramların ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Gerilim çökmeleri, yükselmeleri, reaktif güç ve harmonikler, karmaşık güç sistemlerinin en önemli kalite problemleridir. Bu problemleri en aza indirmek için reaktif güç kompanzasyonu yapmak etkin bir yöntemdir. Güç elektroniği elemanlarının gelişmesiyle birlikte geleneksel mekanik anahtarlamalı şönt reaktör/kondansatör gruplarıyla yapılan kompanzasyonun yerini evirici tabanlı statik kompanzatörler almaya başlamıştır. Esnek Alternatif Akım İletim Sistemleri olarak söylenen bu cihazların başında Statik Senkron Kompanzatör (STATCOM) gelmektedir. Bu tez çalışmasında, şebekeden beslenen bir yüke paralel bağlanan STATCOM ile reaktif güç kompanzasyonu incelenmiştir. Evirici tabanlı STATCOM' un ürettiği gerilimin genliği kontrol edilerek reaktif güç kompanzasyonu yapılabilir. Dolayısıyla, reaktif güç kompanzasyonu için eviricinin DC besleme gerilimi ya da darbe genişlik modülasyonu indeksi kontrol edilmelidir. Bu tez çalışmasında, yapay sinir ağları (YSA) ile eviricinin modülasyon indeksi kontrol edilmek suretiyle reaktif güç kompanzasyonu yapılmıştır. YSA kontrollü STATCOM' un benzetim çalışmaları, hazırlanan MATLAB *.m dosyalarından ve ayrıca tasarlanan MATLAB/Simulink ortamından elde edilmiştir. YSA ve PI kontrollü STATCOM' un reaktif güç kompanzasyon performansını gösteren benzetim sonuçları, YSA kontrollü STATCOM' un etkinliğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Güç Kalitesi, Reaktif Güç Kompanzasyonu, STATCOM, PI kontrolör, YSA kontrolör.
Servo sistemlerin kontrolü için endüstriyel amaçlı bir mikrokontrolör tasarımı
Bu tez çalışmasında, endüstride yaygın olarak kullanılan PIC16F877A, dsPIC ve Arduino Due gibi çeşitli mikrodenetleyicilerin, mimari yapı, bellek, örnekleme frekansı ve işlem hızı gibi özellikleri incelenerek endüstriyel kontrol sistemlerinde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Mikrodenetleyicilerin örnekleme frekansı ve işlem hızı açısından endüstriyel kontrol sistemleri sınıflandırıldığında zaman sabitesi yüksek olan süreç kontrol ve zaman sabitesi çok küçük olan elektrikli sürücü sistemlerin kontrolü olarak iki kategoriye ayırmak mümkündür. Diğer taraftan, Oransal, İntegral ve Türev (PID) ya da yapay sinir ağları ve bulanık mantık gibi gerçekleştirilecek akıllı kontrol algoritmalarının işlem yükü de mikrodenetleyicinin ve kontrol sisteminin performansını etkileyen önemli faktörlerdir. Dolayısıyla, mikrodenetleyicili endüstriyel kontrol sistemlerinde akıllı kontrol yöntemlerinin uygulanabilirliğini araştırmak bu çalışmanın önemli bir amacını oluşturmaktadır. Tez çalışmasının ilk aşamasında, Microchip tarafından geliştirilen PIC16F877A ve dsPIC ile Atmel firmasının ürünü olan AT91SAM3X8E mikroişlemcisi ile tasarlanmış olan Arduino Due geliştirme platformunun aynı şartlar altında performansları karşılaştırılmıştır. Mikrodenetleyicilerin analog girişlerinden analog-dijital çevirici (ADC) vasıtasıyla belirli frekanstaki bir sinüsoidal sinyal mikrodenetleyiciye alınmış, mikrodenetleyicide PID kontrol algoritması ve bazı matris işlemleri yapıldıktan sonra alınan sinüsoidal sinyal dijital-analog çevirici (DAC) üzerinden çıkışa yüklenmiştir. Böylece, sinyaldeki gecikme ölçülerek mikrodenetleyicilerin işlem yapma hızları ve dolayısıyla kontrol sistemleri için seçilebilecek en uygun örnekleme frekansları belirlenmiştir. Mikrodenetleyicilerin performanslarını gösteren sonuçlar hem simülasyon hem de uygulama çalışmaları olarak sunulmuştur. PIC16f877A mikrodenetleyicisinin, Micro c PRO programı kullanılarak yazılımı programlanmış ve Proteus 7 Professional'ın ISIS alt programında simülasyonu yapılmıştır. Arduino Due'nin yazılımı için kendi ara yüz programı kullanılarak uygulama sonuçları elde edilmiştir. Tez çalışmasının ikinci aşamasında, performansı daha iyi olan Arduino Due geliştirme platformu kullanılarak düşük örnekleme frekansının kullanılabileceği bir sıcaklık kontrol sistemi ile çok daha yüksek örnekleme frekansına ihtiyaç duyan bir doğru akım motorunun kapalı çevrim hız kontrolü gerçekleştirilmiştir. Doğru akım motorunun hız bilgisi hem enkoder hem de tako generatörden alınarak geri besleme yapılmıştır. Kontrol yöntemi olarak PID ve bulanık mantık kontrol yöntemleri kullanılmıştır. Kontrol sistemlerinin performansını gösteren deneysel sonuçlar, Arduino IDE programının seri portundan alınarak matlab programında çizdirilmiştir. Çalışılan kontrol sistemlerinin etkinliğini ve bazı sakıncalı yönlerini de gösteren deneysel sonuçlar sunulmuştur.
EEG sinyallerinin sınıflandırılarak beyin-bilgisayar arayüzü tabanlı bir sistem otomasyonunun gerçekleştirilmesi
Bu tez çalışmasında, kas ve sinir sistemlerini kullanamayan felçli hastaların, tekerlekli sandalye gibi herhangi bir sistemi kontrol etmesini sağlayan bir Beyin Bilgisayar Arayüzü (BBA) tasarlanmıştır. BBA sistemlerinde, felçli bireyin beyin aktivitesi yorumlanarak bireyin bilgisayar, elektronik cihazlar veya otomasyon sistemi gibi dış ortam cihazları ile iletişim kurması sağlanmaktadır. BBA teknolojisinde, pratik olması ve acı vermemesi nedeniyle beynin elektriksel aktivitesini ölçmek için genellikle Elektroansefalogram (EEG) adı verilen beyin dalgaları kullanılır. Bu tez çalışmasında, Emotiv EEG başlık kiti kullanılarak kullanıcılardan EEG verisi elde edilmiştir. BBA sistemlerinde dış ortamdaki cihazların kontrolünü sağlayacak olan çıkış komutları, ölçülen EEG sinyallerine önişleme, öznitelik çıkarma ve sınıflandırma işlemleri uygulanarak elde edilir. Ayrıca kullandıkları EEG sinyallerine göre BBA sistemlerinin tasarımı da farklılık gösterebilir. Bu yöntemler; görsel olarak tetiklenen potansiyeller, yavaş kortikal potansiyeller, P300 tabanlı BBA sistemleri ve μ ve β ritimleri olarak sıralanabilir. Bu tez çalışmasında, öncelikle BBA tasarım yöntemleri incelenmiş ve P300 potansiyelleri ve kararlı durum görsel uyarılmış potansiyeller (SSVEP) tabanlı olmak üzere iki farklı BBA tasarlanmıştır. Tasarlanan her iki sistemle de küçük bir doğru akım motorunun hız ve yön kontrolü (sola dönüş, sağa dönüş, hızlan, yavaşla ve dur gibi) gerçekleştirilmiş ve böylece tasarlanan BBA sistemlerinin sistem otomasyonundaki başarısı değerlendirilmiştir. İki farklı kullanıcıya takılan başlık kitinden elde edilen EEG sinyalleri ile yapılan DC motorun yön ve hız kontrolünde, çevrim dışı çalışmada %100 doğruluk, çevrim içi çalışmada ise %60-90 arasında bir doğruluk elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Beyin Bilgisayar Arayüzü (BBA), EEG Sinyalleri, Sınıflandırma, Görsel Uyaran, P300, SSVEP.
Bilgisayar destekli sayısal kontrol tezgahının donanım ve yazılım tasarımı
Bilgisayarlı (ya da Bilgisayar Destekli) Nümerik Kontrol (Computer Numerical Control) olarak adlandırılan CNC tezgahlarında, programlanabilen CNC kontrol üniteleri aracılığı ile iş parçaları otomatik olarak işlenebilmektedir. Dolayısıyla bir CNC tezgahına, iş parçalarının seri üretimi, iş parçası programlarının saklanması, programda gerekli değişikliklerin kolayca yapılabilmesi, parça üretiminin herhangi bir aşamasında programın durdurulup kalınan yerden programın tekrar başlatılabilmesi gibi çeşitli fonksiyonel özellikler kazandırılmıştır. Bir CNC tezgahı; bilgisayar destekli kontrol ünitesi ve yazılımı, elektrik motorları, motor sürücüleri ve yapılacak işe uygun mekanik aksam olmak üzere 4 temel birimden meydana gelir. Bir iş parçasının programlanmasına bağlı olarak kontrol ünitesi, motor sürücüleri aracılığı ile elektrik motorlarının konum kontrolünü gerçekleştirerek tezgah üzerindeki mekanik aksamların arzu edilen X-Y ve Z koordinatlarına konumlanmasını sağlar. Bu tez çalışmasında üç eksenli bir CNC tezgahının donanımı hazırlanmış ve mekanik aksamın X, Y ve Z koordinatlarında konumlanabilmesi için adım motorları ve iş parçasının işlenmesi için ise yüksek hızlı spindle motor kullanılmıştır. CNC kontrol ünitesi, Mach3 programı ve ArtCAM ile programlanmıştır. Tez çalışmasında öncelikle adım motorları ile spindle motorun konum kontrol yöntemleri incelenmiş ve simülasyon sonuçları ile konum kontrol performansları gösterilmiştir. Uygulama çalışmaları olarak, CNC tezgahında işlenmiş çeşitli iş parçaları ve resimler sunulmuştur. Anahtar kelimeler: CNC tezgahı, Konum Kontrolü, Adım motorları, Spindle motor, Mach3.
Kaotik yapay sinir ağlarının analizi ve sistem modelleme
Bu tez çalışmasında, kaotik hücrelerin çeşitli yöntemlerle kaotik davranışları incelenmiştir. Tek girişli - tek çıkışlı ve çok girişli - çok çıkışlı olmak üzere iki farklı doğrusal olmayan dinamik sistemin düz ileri beslemeli, öz geri beslemeli, tam geri beslemeli ve kaotik yapay sinir ağları ile modelleme performansı belirlenmiştir. Kaotik YSA modellerin, ileri beslemeli YSA modellere göre daha az girişe ihtiyaç duymakla birlikte sistem modellemede etkili olduğu belirlenmiştir.
Genetik algoritma ile yapay sinir ağlarında yapı ve parametre optimizasyonu
Katmanlı yapay sinir ağları (YSA) herhangi bir doğrusal olmayan sürekli fonksiyonu arzu edilen doğrulukta yaklaştırma yeteneğine sahiptir. Bu özelliğinden dolayı YSA sistem modelleme, sinyal işleme ve tahmini, örüntü tanıma ve kontrol gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle uygulamalarda sabit bir orta katman hücresine sahip ve katmanlar arasında tam bağlantıların yapıldığı ileri beslemeli katmanlı YSA kullanılır ve geriye yayılım algoritması ile eğitilir. Daha az hücre ve kısmi bağlantıya sahip olan küçük ağlar, sınırlı bilgi işleme kapasitesi nedeniyle iyi bir performans sağlamazken fazla hücre ve tam bağlantılı büyük ağlar gereksiz bağlantılara, işlem yoğunluğuna ve eğitim sürecinin yavaşlamasına neden olur. Ayrıca, YSA' nın parametre sayısı arttıkça eğitim sürecinde amaç fonksiyonunun yerel minimumlarına yakalanma olasılığı artar. Bu nedenlerle, yapay sinir ağlarının yapı ve parametre optimizasyonu önemli bir sorundur.Bu tez çalışmasında, yapay sinir ağlarının yapısının ve parametrelerinin genetik algoritma (GA) ile ayarlanması incelenmiştir. Bu amaçla, ileri beslemeli YSA' nın optimizasyonu için kullanılan GA da gerçek kodlama tekniği kullanılmış ve her bir kromozom, YSA' nın ağırlıklarını, polarmalarını ve bu ağırlık ve polarmaların bağlantı anahtarlarını ihtiva eden bir vektör olarak kodlanmıştır. Bu ağlar, genetik-yapay sinir ağı (GYSA) olarak söylenir ve bağlantı anahtarları ile GYSA' nın etkisiz ağırlıkları ve hücreleri elimine edilebilir. Bu tezde önerilen GYSA' nın sistem modelleme problemindeki performansları incelenmiştir. Doğrusal olmayan dinamik sistemlerin modellenmesinden elde edilen sonuçlar, optimize edilmiş GYSA' nın iyi bir modelleme performansına sahip olduğunu göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Yapay Sinir Ağları, Genetik Algoritma, Sistem Modelleme, Optimizasyon
Otonom bir nöbetçi robot prototipinin tasarımı ve LQRtabanlı bulanık-sinir ağlarıyla hedef izleme kontrolünün gerçekleştirilmesi
Sınır hatlarını veya hassas güvenlik bölgelerini korumak günümüzde önemli bir problemdir. Bu amaçla nöbetçi robotların kullanımı bazı potansiyel avantajlar sağlamaktadır. Nöbetçi robot ve bu kategoride değerlendirilen sistemler tarafından algılanan hedefin hassas bir şekilde takip edilmesi kritik öneme sahiptir. Eksen hareketlerinin tahrikinde kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM) yüksek verim, güç yoğunluklarının fazla olması, sağlam yapıda olmaları gibi sebeplerden dolayı bu çalışmada tercih edilmiştir. Bununla birlikte bu motorların sahip oldukları doğrusal olmayan dinamikler ve yük torku bozucuları bu motorların hassas kontrolünü kısıtlar. Bu tez çalışmasında iki eksende hedef takibi yapabilen, eksen tahrikinde SMSM'ler kullanan nöbetçi bir robot prototipi tasarlanmış ve lineer quadratik regülatör (Linear quadratic regülatör-LQR) tabanlı bulanık sinir ağı çıkarım sistemi (Adaptive neuro-fuzzy inference system-ANFIS) kontrolör ile hassas konum kontrolü gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yük torkundan kaynaklanan bozulmaların minimize edilmesi amacıyla ANFIS tabanlı yük torku gözleyici tasarlanarak kontrol sistemi daha dayanıklı hale getirilmiştir. Farklı LQR kontrolör yapıları için Matlab/SIMULINK ortamında yapılan benzetim çalışlarından elde edilen verilerle ANFIS tabanlı kontrolör ve tork gözleyici tasarımları gerçekleştirilmiştir. Sistemin hedef takip performansını değerlendirmek amacıyla iki eksende girilen referans konum bilgilerine göre eksen hareketleri incelenmiştir. Devamında Matlab/SIMULINK Open CV eklentisi yüz takip algoritması vasıtasıyla hedefin konum bilgileri gerçek zamanlı olarak elde edilmiş ve konum bilgilerine göre nöbetçi robotun hedefi yüksek hassasiyet ile izlemesi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.
Kuadrotorlar için azaltılmış boyutlu durum geri beslemeli anfıs kontrolör tasarımı
İnsansız Hava Araçlarından biri olan kuadrotor, dört adet özdeş rotor üzerine takılan pervanelerin bir çerçeve üzerinde simetrik olarak konumlandırılmasından oluşmaktadır. Bu rotorlar sayesinde dikey olarak iniş-kalkış yapabilmekte, askıda kalabilmekte, motorların dönme hızları değiştirilerek ileri-geri hareketleri, yunuslama, yuvarlanma ve sapma açıları oluşturabilmektedir. Savunma, güvenlik, arama, kurtarma gibi birçok riskli ve tehlikeli işlerde kullanılmaları ve doğrusal olmayan davranışları nedeniyle etkili bir kontrol sisteminin tasarlanması oldukça önem arz etmektedir. Bu çalışmada; insansız hava araçlarının tanımı, çeşitleri ve özellikleri hakkında kısa bilgi verildikten sonra kuadrotorların durum uzay formunda matematiksel modeli çıkarılmıştır. Kuadrotorlar, doğrusal olmayan bir sistem olduğundan genellikle doğrusallaştırılan modeli üzerinden kontrol sistemi tasarlanır. Bu tezde ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems), durum geri beslemeli kontrolör formunda kullanılarak dört girişli ve 12. dereceden bir sistem olan kuadrotorun dört rotorunun da kontrolü sağlanmıştır. ANFIS için eğitim verileri, kuadrotorun doğrusallaştırılmış modeline LQR (Lineer Quadratic Regulator) kontrol yöntemi uygulanarak elde edilmiştir. Ancak kuadrotor, 12. dereceden bir sistem olduğundan durum geri beslemesi olarak kullanılan ANFIS'in 12 girişli olmasını gerektirir ki hem ANFIS'in eğitimi çok uzun sürecek hem de ANFIS'in işlem yükü çok fazla olacağından pratik açıdan gerçeklemesi de zor olacaktır. Bu nedenle, yüksek dereceli sistemlerde genellikle azaltılmış boyutlu ANFIS'ler önem kazanmıştır. Bu çalışmada 12 durum değişkeni Fusion Fonksiyonundan geçirilerek adeta her bir rotor için hata ve hatanın türevini temsil eden iki girişe indirgenmiştir. Böylece 12 giriş yerine iki girişli dört adet ANFIS ile dört rotorun da kontrolü sağlanmıştır. Deneysel gerçekleme olanakları bulunmadığından çalışma yazılım ortamında yapılmıştır. MATLAB/Simulink ile kurulan kontrol sisteminde hem LQR kontrol yönteminden hem de azaltılmış boyutlu ANFIS kontrolörden elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve kontrol performansının etkinliği gösterilmiştir.
Otonom simetrik mobil robotun bulanık mantık ve derin öğrenme tabanlı konum kontrolünün gerçekleştirilmesi
Bu tez çalışmasında, başlangıç noktasından hedef noktasına kadar engelleri geçerek hareketini sağlayan, simetrik, modüler ve otonom mobil robotun üç boyutlu tasarımı yapılarak prototipi gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada robotun hareketini sağlayan motorların hız kontrolleri PID denetleyici ile sağlanırken, ikinci aşamada bulanık mantık denetleyici ile konum kontrolü gerçekleştirilmiştir. Tezin üçüncü aşamasında ortamdaki engelleri algılaması için YOLO algoritması ile nesne algılama yapılmış ve görüntü işleme ile engeli geçmesi sağlanmıştır. Bu süreçte başka herhangi bir bilgisayara ya da algılayıcıya gerek duymadan tamamen kendi donanımı ile hareketini gerçekleştirmiştir. Ayrıca başka ek donanıma gerek kalmadan robota referans değerleri gönderebilmek ve hareket anında verileri toplayabilmek için Android uygulama geliştirilmiştir. Mobil robotun hareket sonuçları hem simülasyon ortamında hem de deneysel olarak elde edilmiştir. İlk olarak engel bulunmayan bir ortamda Android cihaz ile hedef nokta/noktalar robota gönderilerek verilen yaklaşım mesafesi içerisinde mobil robotun hedefe yönelimi incelenmiştir. Koordinat ekseninin bütün bölgelerindeki hareketleri incelemek için tek hedef, iki hedef ve üç hedef olmak üzere farklı koordinat noktaları referans olarak seçilmiştir. Daha sonra aynı işlemler engelli ortam için yapılmıştır. Sonuç olarak, robotun referans olarak verilen hedef noktalarına istenilen yaklaşım mesafeleri içerisinde hatasız bir şekilde ulaştığı görülmüştür.