Bir kara platformu üzerinde konumlandırılmış iki eksenli anten sisteminin kararlılaştırılması ve hassas takip denetimi

Öz

Bu çalışmada, bir kara platformu üzerine konumlandırılmış iki eksenli anten yönlendirme sisteminin dolaylı yöntem ile kararlılaştırılması ve takip denetimi problemi ele alınmıştır. Anten yönlendirme sisteminin GVF-105 A sınıfı sürüş koşullarında model belirsizlikleri ve dengelenmemiş kütle gibi bozucu etkiler altındayken 0,2° hata sınırı içinde kalarak çalıştırılması amaçlanmıştır. Denetim sistemi kurulurken öncelikle oransal, tümlevsel ve türevsel (İng. proportional plus integral plus derivative, PID) işlemi esaslı tek çevrimli denetleyici tasarlanmıştır. Ayrıca daha yüksek başarımlı farklı bir denetim sistemi tasarlamak amacıyla hesaplamalı tork yöntemiyle doğrusallaştırma yapılmış ve bozucu etkileri baskılamak için doğrusal olmayan bozucu gözleyici yapısı kullanılmıştır. Doğrusal hale getirilen sistemin kapalı çevrim denetimi için sırasıyla oransal ve türevsel (İng. proportional plus derivative, PD) işlemli ve iç içe oransal (İng. proportional, P) - oransal ve tümlevsel (İng. proportional plus integral, PI) işlemli geribesleme çevrimleri uygulanarak iki farklı iki çevrimli denetim sistemi tasarlanmıştır. Denetim sisteminde faz telafisi hız ve ivme ileri beslemesi yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bilgisayarlı benzetimler, tasarlanan denetleyicilerin tanımlanan koşullar altında istenen başarım şartlarını sağladığını göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• İki eksenli kardan
• Kararlılaştırma
• Takip denetimi
• Doğrusal olmayan bozucu gözleyici
• Çok giriş çok

Stabilization and precise tracking control of a 2-axis antenna system mounted on a ground vehicle

Öz

In this study, the problem of indirect stabilization and tracking control of a two-axis antenna gimbal system mounted on a mobile ground platform is discussed. It is aimed to operate the antenna gimbal system within the 0.2° error limit under disturbances like model uncertainties and unbalanced mass while applying Class A motion profile. Firstly, single-loop proportional plus integral plus derivative (PID) position controllers are designed separately for each axis neglecting cross coupling effects. After that, to synthesize another control system with higher performance the linearization is realized by applying the computed torque method and a nonlinear disturbance observer is implemented to suppress the effect of disturbances. Also, to end up with closed-loop control of the linearized system, two different two-loop control systems are designed proportional plus derivative (PD) and proportional (P) - proportional plus integral (PI) cascaded control. In the control system, phase compensation is performed by making speed and acceleration feedforward. Computer simulations show that the designed controllers provide the desired performance criteria under the defined conditions.

Anahtar Kelimeler

• Two-axis gimbal
• Stabilization
• Tracking control
• Nonlinear disturbance observer
• Multi input multi output

Kaynakça

1. 1. Hilkert J.M., Inertially stabilized platform technology: concepts and principles, IEEE Control Systems Magazine, 28 (1), 26-46, 2008.
2. 2. Reis M.F., Line-of-sight stabilization and tracking control for inertial platforms, Master’s Thesis, The Electrical Engineering Department (PEE) of COPPE, Rio de Janeiro, 2018.
3. 3. Lorenz M., Mehnert M., Heuberger A., Measurements of mechanical disturbances of vehicle mounted, mobile very small aperture terminals (VSAT), Proc. of the 11th Workshop Digital Broadcasting, 61-65, 2010.
4. 4. Global VSAT Forum, Performance and test guidelines for type approval of ‘comms on the move’ mobile satellite communications terminals, GVF, Tech. Rep. GVF-105 Rev 8, 2016.
5. 5. Fraunhofer IIS, Standard motion profiles, https://motiondb.iis.fraunhofer.de/cmtn/main/portal/motion_profiles, Erişim Tarihi: 10.12.2024.
6. 6. Elkhouly M.A., Standardized testing conditions for satellite communications on-the-move (SOTM) terminals, Doctoral Thesis, Ilmenau University of Technology, Ilmenau, 2018.
7. 7. VectorNav, SATCOM on the move (SOTM), https://www.vectornav.com/applications/satcom-on-the-move, Erişim Tarihi: 10.12.2024.
8. 8. Ekstrand B., Equations of motion for a two-axes gimbal system, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 37 (3), 1083-1091, 2001.

9. 9. Gürbüz O., Bir kara platformu üzerinde konumlandırılmış iki eksenli anten sisteminin kararlılaştırılması ve hassas takip denetimi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2024.
10. 10. Ogata, K., Modern Control Engineering, 5th Edition, Prentice-Hall, 2010.
11. 11. Kuo, B. C., Golnaraghi, F., Automatic Control Systems, 8th Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 2002.
12. 12. MathWorks®, Rotational friction, https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/rotationalfriction.html, Erişim Tarihi: 10.12.2024.
13. 13. Gücin T.N., Biberoğlu M., Fincan B., Gülbahçe M.O., Tuning cascade PI(D) controllers in PMDC motor drives: a performance comparison for different types of tuning methods, 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), 1061-1066, 2015.
14. 14. Chen W., Balance D., Gawthrop P., O'Reilly J., A nonlinear disturbance observer for robotic manipulators, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 47 (4), 932-938, 2000.
15. 15. Yang J., Chen W.H., Li S., Non-linear disturbance observer-based robust control for systems with mismatched disturbances/uncertainties, Control Theory & Applications, IET, 5, 2053-2062, 2011.
16. 16. Kim Y., Bang H., Introduction to Kalman Filter and Its Applications, Introduction and Implementations of the Kalman Filter, Editör: Govaers F., IntechOpen, 2018.
17. 17. Wikipedia, Kalman filter, https://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter, Erişim Tarihi: 10.12.2024.
18. 18. Fadali S., Visioli A., Digital Control Engineering, 3rd Edition, Academic Press, 2020.
19. 19. Ishihara T., Direct digital design of computed torque controllers, Journal of Robotic Systems, 11 (3), 197-209, 1994.
20. 20. Levine W.S., The Control Handbook: Control System Fundamentals, 2nd Edition, CRC Press, 2011.
21. 21. Li X.L., Park J.G., Shin H.B., Comparison and evaluation of anti-windup PI controllers, Journal of Power Electronics, 11 (1), 45-50, 2011.