Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli Uçak Yükseklik Kontrolünde PD Kontrolör ve Bulanık Mantık Kontrolör Performans Karşılaştırması The Performance Comparison of PD Controller and Fuzzy Logic Controller for the Aircraft Height Control Hüseyin Karakoç1, Kenan Erin2, Recep Çağıran3, Ahmet Subaşı4, Melih Kuncan5, Kaplan Kaplan6, H. Metin Ertunç7 1,2,3,4,5,6,7 Mekatronik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi, İzmit hsynkrkc@hotmail.com, mekatronkenan@gmail.com, recepcr17@gmail.com, asub026@gmail.com, {melih.kuncan, kaplan.kaplan, hmertunc}@kocaeli.edu.tr Özetçe Bu çalışmada, öncelikle Android cihaz kullanımı ile hava aracı ve hava aracını kumanda eden sistem arasındaki haberleşme anlatılmıştır. Sonrasında uçak sistemi teorisinin esasları hakkında bilgi verilmiştir. Uçuş kontrol sisteminde önemli bir yer tutan irtifa kontrolü için klasik PD kontrolör Bulanık PD kontrolör sisteme uygulanmıştır. Son olarak bu yöntemler ile elde edilen performanslar karşılaştırılmıştır. Elde edilen simülasyonlar sonucunda klasik PD kontrolör bulanık mantık kontrole göre istenilen uçak yüksekliğine daha az sürede ve daha kararlı şekilde ulaştığı görülmüştür. Şekil 1: Uçak eksen yerleşimi [3]. Yapılan çalışmada klasik kontrolör ve bulanık mantık kontrolör ele alındıktan sonra uçuş kontrol sisteminde önemli bir yer tutan irtifa kontrolünün klasik PD kontrolör ve bulanık PD kontrolör kullanılarak tasarımı incelenmiştir. Bulanık PD kontrolör ile elde edilen çıkış tepkileri, klasik PD kontrolör ile elde edilen tepkilerle karşılaştırılmıştır. Abstract In this study, firstly it was explained the communication of aircraft and the system that commands the aircraft by means of android device. Then the classic PD controller and Fuzzy PD controller which are very important for height control has been applied in the system. Finally, the result performances obtained by these methods have been compared. As a result of simulations obtained in this study showed that PD controller reaches the desired height plane better than the fuzzy controller. 2. Android Cihaz Kullanımı Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nün (MIT) Google ile işbirliği oluşturularak açık kaynaklı, bir web tarayıcısı penceresinde çalışan android tabanlı cihazlar için uygulamalar geliştirilebilecek bir platform olan App İnventor2 programı ile kolaylıkla android programlanabilmektedir. İnsansız hava aracında yapılan çalışmada, görüntü aktarımı ve uçağın yükseklik bilgileri android cihaz vasıtasıyla, yazılan android uygulama ile gerçekleştirilmiştir. Bilindiği üzere android cihazlarda GPS bulunmaktadır ve verimli bir programlama yapılırsa çok küçük hata payları ile kullanılabilmektedir. İnsansız hava aracı çalışmasında kullanıcı tarafı ve hava aracı olmak üzere iki kısım vardır. Kullanıcı tarafında Matlab programı ve bilgisayara bağlı bir Zigbee modül bulunmaktadır. Hava aracı kısmında ise; android telefon, arduino kartı ve bu karta bağlı bluetooth modülü ile Zigbee modülü bulunmaktadır. Zigbee modülü uzak mesafeden radyo frekansı ile haberleşmede kullanılırken, bluetooth modülü; android cihaz ile kart arasında haberleşme için kullanılmıştır. İnsansız hava aracına koyulan kompanentlerden diğerleri ise android telefon ve bu telefonun blueetooth ile bağlantı kurduğu Arduino kartıdır. Android; GPS ve kameraya 1. Giriş Yerçekimini yenmiş olan her şeyin uçtuğu bilinmektedir. Fakat güvenli bir uçuşun gerçekleşebilmesi için havada seyreden cismin dengeli ve kontrol edilebilir olması gerekmektedir. Kanat, uçakları havada kaldırmak için yeterli olsa da uçağın güvenli bir uçuş gerçekleştirebilmesi için uçuş denetimlerine ihtiyaç vardır [1]. Bir uçağı tam olarak dengede tutabilmek için uçağın üç eksende de hareketine hâkim olunması gerekmektedir. Bu eksenler, dikey, yatay ve yanal eksenlerdir [2]. Şekil 1’de uçaklarda eksen yerleşimi gösterilmiştir. 1020 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli ulaşmada büyük kolaylıklar sağlar. Android için App İnventor de geliştirilen uygulama ile İnsansız hava aracının konum bilgileri GPS’ten alınmıştır ve alınan veri arduino kartına takılan bluetooth vasıtasıyla karta aktarılmıştır. Arduino kartının aldığı veri ve fırçasız motordaki hız bilgisini anlık olarak Zigbee modülü ile kullanıcı tarafında bulunan Zigbee modülene iletilmiştir ve Matlab programına İnsansız hava aracının konum bilgileri ve hız bilgileri alınmıştır. Matlab programındaki Fuzzy Logic Toolbox’ı ile hava aracının o anki yüksekliği, hız bilgisi ve kullanıcının ayarlamak istediği yükseklik bilgisi işleme sokulmuştur. Fuzzy Logic’ten çıkan sonuç aynı yol ile bilgisayara bağlı olan Zigbee’ye yazılarak, İnsansız hava aracına bağlı olan Zigbee’ye iletilmiştir ve dolayısıyla Fuzzy Logic sonucu arduino kartına alınmıştır. Gelen veriye göre arduino kartı elevatörü kontrol eden servo motoru sürmek suretiyle hava aracının yüksekliğini ayarlanmıştır. Hava aracında bulunan android telefon aynı zamanda görüntü aktarımında kullanılmıştır. Kullanımı cok yaygın olan görüntü kalitesi internet hızına bağlı olmakla birlikte iyi bir görüntü aktarımı programı olan Skype programı görüntü aktarımında tercih edilmiştir. Matlab programından kamerayı aç yahut kapat verisi zigbee modül ile hava aracındaki arduino kartına gönderilmektedir ve bluetooth ile bu veri android cihaza iletilerek skype araması gerçekleştirilmiştir. Şekil 3 ‘de İHA’da bulunan kullanıcıyla haberleşmeyi sağlayan Xbee cihazının verici kısmı ve Xbee cihazının Android cihazıyla olan bağlantı şekli gösterilmektedir. Şekil 4: Kullanıcı tarafında bulunan Matlab, Ardunio ve Xbee Shield. Şekil 4’de Kullanıcı kısmında bulunan haberleşme sağlayan Xbee cihazının alıcı kısmı ve Xbee cihazının Matlab ile olan bağlantısı gösterilmiştir. 3. Uçak İrtifa Kontrol Sistemi Bu bölümde uçuş kontrol sisteminde önemli bir yer tutan irtifa kontrolünün klasik PD kontrolör ve bulanık PD kontrolör kullanılarak tasarımı incelenmektedir. Bu sisteme ait blok diyagramı Şekil 5’te görülmektedir. Şekil 5: Uçak irtifa kontrol sistemi. Sistem çıkışındaki irtifanın girişteki referans irtifa değerini izlemesi için eyleyici girişindeki irtifa dümeni açısı ( ) kontrol edilmektedir. Newton’un ikinci hareket yasasından elde edilen, doğrusal olmayan uçak hareket denklemleri belli denge uçuşları etrafında Taylor serisi ile doğrusallaştırılarak, Şekil 2: App İnvertor 2 programı arayüzü. Şekil 2 ‘de App Inventor 2 programı ile yapılan android program arayüzü gösterilmektedir. İHA’ya takılan android cihaz vasıtasıyla uçağın enlem , boylam ve yükseklik bilgilerine bu program sayesinde ulaşılmaktadır. x Ax Bu (1) Şeklinde durum uzayı formunda gösterilebilir. Yukarıdaki (1) denkleminde; x durum değişkenleri vektörünü, u girdi vektörünü, A ve B ise katsayılar matrislerini göstermektedir. u w u= E (2) En genel halde elde edilen bu denklemler, uzunlamasına ve yanlamasına hareket dinamiklerine ayrıldığında, uzunlamasına hareket durum değişkenleri ve kontrol girdisi; w Uo Şekil 3: İnsansız hava aracında bulunan android Cihaz, Xbee ve Bluetooth. (3) olarak elde edilmektedir. Kararlılık türevlerinden oluşan A ve B matrisleri ise; 1021 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli Xu Zu Mu Xw Zw Mw -g Uo M 1 B= XE ZE M Şekil ’da görüldüğü gibi çalışmada kullanılan PD tip kontrolör türevsel etkiden dolayı hızlı bir çalışma sağlar; sönümü artırır ve maksimum aşma, yükselme ve oturmaya ulaşma zamanlarını azaltır. Oturma zamanı durum hatası üzerinde pek etkili değildir. Az sönümlü ya da kararsız sistemlerde de etkili olmaz [5]. (4) E biçiminde ifade edilmektedir. Bu ifadelerde u uçağın ileriye doğru hızı, w uçağın dönüş hızı, uçağın ileriye doğru denge hızı, q yunuslama açısal hızı, yunuslama açısı g yerçekimi ivmesi , , , , , Z E , Mu , Mw , M , M E ise ilgilenilen uçuş durumundaki kararlılık türevleridir. , ise kararlılık türevleri cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. Mu (Mu Mw Zu Mw (Mw Mw Zw M M UZ M E (M E Mw Z E 4.1.Klasik PD Denetleyicinin Sisteme Uygulanması Uçuş durumu için Matlab/Simulink’te yapılan çalışma Şekil ’de gösterilmiştir. (5) (6) (7) (8) Şekil 7: Klasik PD kontrolör Matlab/Simulink devre şeması Çalışmada durum değişkeni olarak irtifa kullanacağı için durum değişkenleri arasına irtifayı dâhil etmek üzere aşağıdaki dönüşümler yapıldığında; - s2 h(s sw(s E (s E (s -U (s Uçuş durumu için Matlab PID Toolbox’ta tune işlemi yapıldıktan sonra Kp - . ve Kd - . 5 değerlerine ulaşılmıştır [11]. Yapılan işlemlerde Kp ve Kd değerleri pozitif alındığı takdirde sistem aksine kararsız olmaktadır o yüzden değerler negatif alınmıştır. Nominal uçuş durumundan K=5 metre irtifa kaybı oluşması durumunda hatanın değişimi Şekil ’de, irtifa dümen açısının değişimi Şekil9’da, irtifa değişimi Şekil 1 ’da, irtifada meydana gelen anlık değişim ise Şekil 11’de verilmiştir. (9) E (s Eşitliği elde edilir ve eşitliğin kararlılık türevlerine bağlı olarak kısa periyod mod için uçak dinamiği; h(s 1 -Kw s 1 sT1 -U K 1 sT2 E (s s2 10) sp (s olarak elde edilir. 1 Eyleyici ve algılayıcı dinamikleri ise ifadesine eşittir. Bu 1 .1s değerlere göre uçuş durumu için irtifa ile irtifa dümeni arasındaki uçak dinamikleri; h(s E (s 2 -5. 5 s -34 .213ss4 . . 1 s3 1.13s2 (11) olarak elde edilir. Uçuş durumu için sisteme ait hata (e), irtifa dümeni açısı ( ), irtifa (h ve irtifa değişiminin ( ) zamana (t bağlı değişimleri klasik PD denetleyici kullanılması durumlarında Matlab yardımıyla bulunmuştur [4]. Şekil 8: Hatanın zamana göre değişimi 4. Klasik PD Kontrol PD (Proportional + Derivative) kontrol; oransal ve türevsel kontrol etkisinin üstünlüklerini tek bir birim içinde birleştiren bir kontrol etkisidir. Oransal kontrolör (KP yükselme zamanını azaltmada etkili olur ama kalıcı durum hatasını hiçbir zaman ortadan kaldırmaz. Türevsel kontrolör (KD) sistem kararlılığının artmasında, aşmanın azalmasında ve geçici cevabın düzelmesinde etkili olur. Şekil 6: Klasik PD kontrol sistemi. 1022 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli Şekil 9: İrtifa dümeni açısının zamana göre değişimi. sürecin durum bilgisi ile kontrol işlemi arasındaki bulanık işlem algoritmasına dayanır. Şekil 12’de genel bir kapalı döngü bulanık kontrol sisteminin yapısı görülmektedir [6]. Şekil 12:Kapalı döngü bulanık denetleyici kontrol sistemi. Şekil 12’de görüldüğü gibi bulanık kontrolör bulanıklaştırıcı, çıkarım ve durulaştırma birimlerinden oluşmaktadır. Sistemde kontrolör girişindeki hata sinyali bulanıklaştırma biriminde bir ölçek değişikliğine uğrayarak bulanıklaştırılmaktadır. Çıkarım birimine gelen bilgiler, kural işleme biriminde depolanmış, bilgi tabanına (veri + kural tabanı dayalı, kural ağırlık tablosu şeklinde gösterilerek elde edilen bilgiler birleştirilir. Son adımda problemin yapısına uygun mantıksal karar önermeleri kullanılarak elde edilen sonuçlar durulaştırıcı birimine gönderilir. Durulaştırma biriminde bilgilerin her biri gerçel sayılara dönüştürülür ve sisteme verilir. Durulaştırma işleminde yükseklik yöntemi, ağırlık merkezi yöntemi ve ağırlıklı ortalama yöntemi en çok kullanılan yöntemlerdir. Bulanık kontrolörde, klasik kontrolörlerde olduğu gibi bulanık PD, bulanık PI, bulanık PID ve karma kontrolör biçiminde farklı yapılarda tasarlanmaktadırlar. Bu problemde ise bulanık PD kontrolü kullanılacaktır [7]. Şekil 10: İrtifanın zamana göre değişimi. 5.1. Bulanık PD Kontrolü Bulanık PD tip kontrol bulanık kontrolörler içinde en fazla kullanılan denetleyici tipidir. Bu tip denetleyicide bulanıklaştırma ve kural işleme bilgileri oluşturulurken hata (e ve hatanın değişimi ( giriş olarak kullanılmaktadır. Sistemimizin çıkışı ise irtifa dümen açısıdır. İlk olarak hata ve hatanın değişimine ait değerler bulanıklaştırılarak kural işleme biriminden geçirilir. Durulaştırma biriminde ağırlıklı ortalama yöntemine göre, yorumlanan her bir kurala ait en küçük üyelik derece değeri aksiyon ağırlık değeri ile çarpılır ve bulunan sonuçlar toplanır. Bu değer, kuralların toplam üyelik değerlerine bölünerek kontrolör çıkışı bulunur. Sisteme giriş olarak verilen hatanın üyelik fonksiyonları Şekil 12’de, hatanın değişimine ait üyelik fonksiyonları ise Şekil 13’te verilmiştir [8-10]. Şekil 11: İrtifada meydana gelen anlık değişimin zamana göre çizdirilmesi Şekil - 9- 10- 11 ‘de uçağın irtifasının Matlab PID kontrol sonuçları gösterilmektedir. Bu şekillerde uçağın aşım miktarı , yükselme zamanı, kalıcı durum hatası gibi kontrol parametreleri öğrenilebilmektedir. 5. Bulanık Mantık Kontrol Bulanık mantık, insan davranışlarına benzer bir şekilde mantıksal uygulamalarla, bilgisayarlara yardım eden bir bilgisayar mantık devrimidir. Bulanık mantığın endüstride kullanımı verimliliği arttırır, daha uygun üretim sağlar, zamanın çok önemli olduğu günümüzde zamandan tasarruf ve ekonomik açıdan fayda getirir. Bulanık küme kuramı, belirsizliğin bir tür biçimlenişi, formüle edilmesidir. Bir çeşit çok değerli küme kuramıdır. Kümedeki her bir birey, iki değerli küme kuramlarında olduğu gibi ‘üye’ ya da ‘üye değil’ olarak değil, bir dereceye kadar üye olarak görülür. Bir aralıkta bulunabilecek öğelerin hepsinin, 1’e eşit üyelik derecesine sahip olması yerine, ile 1 arasında değişik değerlere sahip olması düşünülür ve (x) A μ , x elemanının ‘A’ kümesine ait olma derecesi ( ila 1 arasında bir değer şeklinde gösterilir. Böyle bir gösterimle birçok elemandan oluşmuş bir kümede, her eleman için o kümeye ait olma derecesi belirlenir. Bulanık kontrol, kontrol edilmesi gereken Şekil 13: Hatanın üyelik fonksiyonları. 1023 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli 5.2. Bulanık Kontrolörün Sisteme Uygulanması Uçuş durumu için Matlab/Simulink’te yapılan çalışma Şekil 1 ’da gösterilmiştir Şekil 14: Hatanın değişiminin üyelik fonksiyonları. Kontrol sistemi nominal uçuş durumundan olabilecek ±5 metrelik irtifa değişim aralığında çalışacağından üyelik fonksiyonu sınır değerleri minimum -500, maksimum +500 olacak şekilde bölümlendirilmiştir. Şekil 16: İrtifada meydana gelen anlık değişimin zamana göre çizdirilmesi. Tablo 1 de irtifa dümen açısı kural ağırlık değerleri verilmiştir [11]. H:hata; D:değişim; NCK: Negatif Çok Küçük; NK: Negatif Küçük, Y:Yok; PB: Pozitif Büyük; PCB: Pozitif Çok Büyük olarak ifade edilmektedir. Sisteme bulanık mantık uygulandığında Kp=0.38 ve Kd=0.38 deneme yanılma ile elde edilmiştir. Nominal uçuş durumundan K=500 metre irtifa kaybı oluşması durumunda hatanın değişimi Şekil 1 ‘de, irtifa dümen açısının değişimi Şekil 1 ‘de, irtifadaki değişim Şekil 1 ’da, ve irtifada meydana gelen anlık değişim ise Şekil 2 ’de verilmiştir. Tablo 1: İrtifa dümen açısının kural ağırlık değer tablosu Şekil 17: Hatanın zamana göre değişimi. Şekil 15: İrtifa dümen açısının üyelik fonksiyonları. Çıkıştaki irtifa dümen açısı üyelik fonksiyonu sınır değerleri minimum -2 , maksimum 2 olacak şekilde bölümlendirilmiştir ÇD: Çok Düşük D:Düşük N:Normal Y:Yüksek ÇY: Çok Yüksek olarak ifade edilmektedir. Hata ve hatanın değişimi uygulandığında çıkışta elde edilen irtifa dümeni açı değerlerini içeren kural ağırlık değer tablosu Tablo 2’deki gibi tekrar oluşturulmuştur. Tablo 2: İrtifa dümen açısının kural ağırlık tablosu. Hata(e) Hata Değişimi ( ) HNCK HCK HY HPB HDNCK ÇY ÇY N Y HDCK ÇY ÇY Y N HDY ÇY Y N D HDPB Y N ÇD ÇD HDPCB N D ÇD ÇD HPCB N D ÇD ÇD ÇD Şekil 18: İrtifa dümen açısının zamana göre değişimi 1024 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli Şekil 21: Uçuş için Klasik PD ve Fuzzy Logic Kontrolde irtifanın karşılaştırılması Şekil 19: İrtifanın zamana göre değişimi. Yapılan çalışmalar sonucu uçağın simülasyonu Matlab/ Virtual Reality ortamında gerçekleştirilmiştir. Çalışmaya ait Simulink blok diyagramı Şekil 22’de, sisteme ait Virtual Reality simülasyonu ise Şekil 23’te ve Şekil 24’te gösterilmiştir. Şekil 20. İrtifada meydana gelen anlık değişimin zamana göre çizdirilmesi. Şekil 1 - 18- 19- 2 ‘de uçağın irtifasının Matlab Bulanık PD kontrol sonuçları gösterilmektedir. Bu şekillerde uçağın aşım miktarı , yükselme zamanı, kalıcı durum hatası gibi kontrol parametreleri öğrenilebilmektedir. Şekil 22: .Uçuş için Klasik PD ve Fuzzy Logic Kontrolde irtifanın karşılaştırılması 6. Simülasyon Sonuçları Uçuş için klasik PD ve bulanık kontrolleri uygulandığında klasik PD kontrolünün bulanık kontrole göre; daha hızlı, daha kararlı ,aşmanın ve hatanın daha az olduğu gözlemlendi. Tablo 3’te ve Şekil 21’de karşılaştırılan kontrollerde bazı değerler gösterilmiştir. Tablo 3: Uçuş için Klasik PD Kontrol ve Fuzzy Logic Kontrol karşılaştırma tablosu. Kıyaslama Parametresi Klasik PD Fuzzy Logic Aşma %29.6 %64 Yükselme Zamanı 10.67 sn 16.73 sn Oturma Zamanı 35.56 sn 69.19 sn Ess(Hata) Daha az Daha fazla Simülasyon Süresi 70 sn 70 sn Şekil 23: Virtual Reality uçak kalkış görünümü 1025 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli Kaynakça [1] [2] Şekil 24: Virtual Reality 5 http://www.tevfikuyar.com/raporlar/ucusdenetim.pdf http://fbe.erciyes.edu.tr/MKA-2005/Dergi/2009-vol25-no-12/21.%20(287-301)%2009-nmmaki-02_d%C3%BCzeltmeli-ensonhali.pdf [3] http://www.gezmek.org/pageID_6584038.html [4] McLEAN, D., Automatic Flight Control Systems. Prentice Hall International (UK) Ltd [5] Serhat YILMAZ,” PID Denetleyici Tasarımı”, Ders Notu, Kocaeli Üniversitesi. [6] VERBRUGGEN, H.B., ZIMMERMAN, H.J., BABUSKA, R., Fuzzy Algorithms for Control, Kluwer Academic Publishers, U.S.A, 1999. [7] ASTRÖM, K. J., WITTENMARK, B, Adaptive Control, Lund Institute of Technology, Addison Wesley Publishing Company, 1989. [8] KIYAK, E., Bulanık Mantık ve Uçuş Kontrol Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir 2 3. [9] ROTTON, S. K., BREHM, T., SANDHU, G. S., Analysis and Design of a Proportional Fuzzy Logic Controller, Department of Electrical Engineer [10] TOPUZ, V., Bulanık Genetik Proses Kontrolü, Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi, İstanbul 2 2. [11] A. Kahvecioğlu, O. Parlaktuna, H. Korul, Y. Işik, Bir Uçağin İrtifa Kontrolünde Klasik Ve Bulanik Pd Denetleyici Performanslarinin Karşilaştirilmasi, Havacilik Ve Uzay Teknolojileri Dergisi Ocak 2006 Cilt 2 Sayi 3 (9-20) m irtifadaki görünümü. 7. Genel Sonuçlar Bu çalışmada uçak yüksekliği PD kontrol ve Bulanık kontrol ile kontrol edilmeye çalışmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda PD kontrolör çıkışları istenilen uçak yüksekliğine daha az zamanda ve daha az hata ve daha az aşım ile ulaştığı görülmüştür. Teşekkür Bu çalışma, Kocaeli Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Sensör Laboratuvarında yapılmıştır. Desteklerini ve emeklerini bizden esirgemeyen değerli hocalarımıza ve görev alan arkadaşlarımıza teşekkür ederiz. 1026