Aircraft stability analysis and control systems design: An adaptive approach

Abstract

Bu çalışmada, temel olarak bir İnsansız Hava Aracı (İHA)'nın kararlılığı incelenmiş veotonom uçuş için çeşitli kontrol yöntemleri önerilmiştir. Çalışmada ilk olarak, İHA'nınuzunlamasına ve yanlamasına hareketi için kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir.Buna ek olarak, yanlamasına uçuş ve uzunlamasına uçuşun otomatik idaresi için,Uyarlamalı (Adaptif) Model Referans ve Yeniden Şekillendirilmiş Optimal LineerKuadratik Regülâtör yöntemleri kullanılmış, çeşitli otomatik uçuş kontrol algoritmalarıgeliştirilmiş ve bilgisayar ortamında uygulamaları yapılmıştır. Tezde incelenen insansızhava aracı doğrusal (lineer) bir model olarak ele alınmıştır ve denklemleri buna göreelde edilmişlerdir. Uzunlamasına hareket için gerçekleştirilen Uyarlamalı ModelReferans kontrol yöntemi uygulamaları iki başlık altında incelenmiş olup ilk aşamadaMIT kuralına dayalı orantı-integral uyarlama algoritması uygulanmış ve sonuçlarıanaliz edilmiştir. Daha sonrasında ise Lyapunov kararlılık teorisine dayalı orantıintegralalgoritması uzunlamasına hareket dinamiklerine uygulanmış ve sonuçları analizedilmiştir. Ayrıca, Yeniden Şekillendirilmiş Optimal Lineer Kuadratik Regülatöryöntemi ile uzunlamasına kontrol sistemi tasarlanarak tezin birinci kısmısonlandırılmıştır. Tezin ikinci bölümünde, yanlamasına hareket dinamikleri elde edilmişve kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde Uyarlamalı kontrol yöntemleriiçerisinden sadece Lyapunov kararlılık teorisine dayalı model referans adaptif kontroltasarımı gerçekleştirilmiştir. Ve son olarak yanlamasına hareket için tasarlanan optimallineer kuadratik regülatör tasarımı ile tez sonlandırılmıştır. Elde edilen sonuçlarliteratürdeki çalışmalarla karşılaştırıldığında, önerilen yöntemlerle geliştirilen otomatikkontrol sistem tasarımlarının, kayda değer sonuçlar sergilediği ve performanskriterlerini fazlasıyla sağladığı gözlenmiştir.Anahtar Kelimeler: İHA, Uyarlamalı (Adaptif) Kontrol, Lyapunov kararlılık teorisi,Yeniden şekillendirilmiş optimal lineer kuadratik regülatör.

In this study, stability analysis of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has beenconducted and several control system designs have been suggested for autonomous flight.In the study, firstly, stability analyses have been carried out for the longitudinal andlateral flight dynamics. Additionally, for automatic control system designs, ModelReference Adaptive and Augmented Optimal LQR have been used, control algorithmshave been developed and simulations have been conducted. UAV flight dynamics havebeen linearized and linearized equations of motion have been used in analyses. Adaptivecontrol system design implemented on longitudinal flight dynamics has beeninvestigated in two parts, where firstly PI adjustment algorithm based on MIT rule hasbeen executed. Afterwards, PI adjustment algorithm based on Lyapunov stability theoryhas been applied and results have been analyzed. Moreover, Augmented Optimal LQRcontrol system design approach has been introduced in longitudinal dynamics and inthis way the first part of the study has been concluded. In the second part of the study,equations of motion in lateral flight have been obtained and stability analyses have beenconducted. In this section, Model Reference Adaptive control system design based onLyapunov stability theory has been applied to lateral system dynamics. And finaly, withthe implementation of Optimal LQR control system design on the lateral flight dynamics,the study has been concluded. When obtained results have been compared with theexisting results in the literature, it is witnessed that designed control systems are able topresent remarkable time domain and closed-loop performance characteristics.Keywords: UAV, Adaptive Control, Lyapunov Stability Theory, Augmented OptimalLQR Control