İki serbestlik dereceli helikopter için Kalman filtresi tabanlı durum/model parametre tahmini ve dayanıklı denetleyici tasarımı

Bu tez çalışması helikopterle benzer aerodinamik yapıya sahip olan çift pervaneli çok girişli çok çıkışlı (TRMS) sistem için nonlineerliklere, model belirsizliklerine, bozucu etkilere dayanıklı ayrık zaman model referans kayan kip kontrolörün (MR-SMC) gerçek zaman deneylerde uygulanmasını sunmaktadır. TRMS sistemi nonlineer olması, çok girişli çok çıkışlı yapısı, model belirsizleri barındırması, belirgin kuplaj etkisine sahip olması, tüm durumlarının ölçülmemesi gibi özellikleri ile kontrol uygulamaları için önemli zorluklara sahiptir. TRMS sisteminin dinamik denklemleri Lagrangian yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. TRMS'nin ölçülmeyen durumları Kalman tabanlı yöntemlerle tahmin edilmiş ve Kalman tabanlı yöntemlerin performansları karşılaştırılmıştır. Ayrıca, Kalman tabanlı yöntemlerin hem durum hem de parametre tahminini aynı anda yaptığı birleşik tahmin performansları karşılaştırılmıştır. Son olarak, MR-SMC performansı simülasyon ve gerçek zaman çalışmalarla TRMS sistemi üzerinde incelenmiştir. Modelleme aşamasında TRMS sistemi elektrik sistemleri ve mekanik sistemler olarak ayrılmış ve mekanik kısmın dinamik denklemleri Lagrangian yaklaşımı kullanılarak elde edilmiştir. Elde edilen modelde hava sürtünmesi, atalet momenti gibi bilinmeyen parametreler, gerçek sistem çıkışı ve model çıkışı arasındaki hata sezgisel optimizasyon yöntemleri ile minimize edilerek offline tahmin edilmiştir. Bu bölümde parçacık sürü optimizasyonu (PSO) ve yapay arı kolonisi (ABC) yöntemlerinin parametre tahmin performansları karşılaştırılmıştır. TRMS sisteminin durumlarının tahmin edilmesi için kompleks adım arttırılırmış Kalman filtre (CS-EKF), sonlu fark arttırılırmış Kalman filtre (FD-EKF), kokusuz Kalman filtre (UKF) ve küpleme kalman filtre (CKF) tasarımları gerçekleştirilmiş ve hesap yükü, uygulama kolaylığı açısından karşılaştırılmıştır. TRMS modelinin karmaşıklığı ve Jacobian matrisin kısmi olarak elde edilme zorluğu bulunduğu için standart artırılmış Kalman filtrenin (EKF) TRMS sistemine uygulanma zorluğu bulunmaktadır. CS-EKF'de Jacobian matris sayısal türev alma yöntemi olan kompleks adım türev yöntemi ile hesaplanmakta ve EKF'nin sisteme uygulanmasını kolaylaştırmaktadır. Ayrıca TRMS sisteminde bulunan, çalışma bölgesine göre değişen parametreler birleşik tahmin yöntemi kullanılarak Kalman tabanlı algoritmalarla online tahmin edilmiş ve Kalman tabanlı algoritmaların, parametreleri tahmin etme hızı ve doğruluğu açsından karşılaştırılmıştır. Kontrolör tasarım aşamasında TRMS kuplaj etkileri bozucu kabul edilmiş ve TRMS yatay eksen sistem ve TRMS dikey eksen sistem olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Her iki sisteme MR-SMC kontrolör tasarımları gerçekleştirilmiştir. Kontrolör tasarımı direk ayrık zaman tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Kayan Kip Kontrolörde (SMC) oluşan sürekli hal hatası hata dinamiğine eklenen integratör sayesinde giderilmiştir. Hata dinamiğine eklenen integratör bozucu ve kuplaj etkilerinin giderilmesine katkı sağlamıştır. TRMS 1 DOF yatay eksen, TRMS dikey eksen ve TRMS 2 DOF sistemlerde yapılan simülasyon ve gerçek zaman deneylerde MR-SMC'nin modeldeki belirsizliklere ve sistemin nonlineerliklerine karşı dayanıklı olduğu, bozcu etkilerini ve kuplaj etkilerini giderdiği görülmektedir.