Sabit kanatlı bir hava aracının dinamik modellemesi, kontrolü ve optimizasyonu

Abstract

Bu çalışma kapsamında, sabit kanatlı bir hava aracının boylamsal dinamik modeli oluşturulmuş, kararlılık analizi yapılmış ve oluşturulan bu model için kontrol sistemi tasarlanmıştır. Kontrolcü parametreleri, çeşitli optimizasyon algoritmaları kullanılarak geliştirilmiş ve sistem cevabı üzerinden bir kıyaslama yapılmıştır. Hava aracına ait matematiksel model, nonlineer denklemeler kullanılarak oluşturulmuş, doğrusallaştırma işlemlerinin ardından elde edilen lineer hareket denklemleri ile kararlılık analizleri yapılmış, lineer ve nonlineer denklemlerle sistem simüle edilmiş, ardından PID kontrol sistemi tasarımı yapılmıştır. Doğrusallaştırma işlemi, hava aracının üç farklı trim noktası (steady state) için simule edilmek üzere yapılmış ve büyük ölçüde boylamsal dinamik hareket incelenmiştir. Hava aracına etki eden kuvvetler, ANSYS Fluent ile sonlu hacimler metodu kullanılarak elde edilmiş ve nonlineer denklemlerde bu yöntem ile elde edilen aerodinamik katsayılar kullanılmıştır. Lineer denklemlerde ise gerekli aerodinamik türevler, bu yöntemle hesaplanmış ve ayrıca elde edilen kuvvet grafiklerinden faydalanılmıştır. Simulasyonlar için MATLAB ve Simulink kullanılmış, doğrulama amacıyla farklı yöntemler birbiri ile kıyaslanmıştır. Kontrolcü tasarımının ardından, kontrolcülere ait kazanç katsayıları, GA, PSO ve DE metodları ile optimize edilmiş, bu yöntemler kendi aralarında kıyaslanmıştır.

In this study, a longitudinal dynamic model of a fixed-wing aircraft has been developed, stability analysis has been performed, and a control system has been designed for the created model. The controller parameters have been developed using various optimization algorithms, and a comparison has been made based on the system response. The mathematical model of the aircraft was created using nonlinear equations, and after linearization, linear motion equations were obtained to perform stability analysis. The system was simulated with both linear and nonlinear equations, and a PID control system design was carried out. The linearization process was performed for three different trim points (steady states) of the aircraft to be simulated, with a primary focus on examining the longitudinal dynamic motion. Forces acting on the aircraft have been obtained using the finite volume method in ANSYS Fluent, and the aerodynamic coefficients obtained through this method have been used in the nonlinear equations. In the linear equations, the necessary stability derivatives have been computed with this method, and force graphs have also been utilized. MATLAB and Simulink were used for simulations, and different methods were compared for validation purposes. After the controller design, the gain coefficients of the controllers were optimized using GA, PSO, and DE methods, and these methods were compared with each other.