Hidrolik tahrikli bir dalga kanalında gerçek zamanlı dalga üretimi için FPGA tabanlı kontrolcü tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında, bir dalga kanalında düzenli dalga üretiminin kararlı, tekrarlanabilir ve otonom bir şekilde gerçekleştirilmesi amacıyla, hidrolik servo silindir (HSS) tahrikli piston tip dalga üretici (PTWM) için FPGA tabanlı gelişmiş bir kontrol mimarisi tasarlanmış, kontrolcü parametreleri optimize edilmiş ve deneysel olarak doğrulanmıştır. Kontrol sistemi, LabVIEW yazılımı ve NI CompactRIO-9074 donanımı kullanılarak geliştirilmiş olup, HSS ile tahrik edilen PTWM’nin davranışı deneysel veriler yardımıyla modellenmiştir. Elde edilen modeller doğrultusunda, öncelikle klasik PI kontrolcü ile konum kontrolü gerçekleştirilmiş, ardından Takagi–Sugeno (TS) bulanık mantık tabanlı bir kontrolcü tasarlanmıştır. Kontrol yapısı iki katmanlı bir mimari şeklinde ele alınmıştır. İç katmanda HSS’nin konum kontrolü PI/TS bulanık kontrolcülerle sağlanmış, kontrolcülere ait parametreler Particle Swarm, Harris Hawks ve Slime Mould Algoritmaları kullanılarak ITAE tabanlı performans ölçütüne göre optimize edilmiştir. Ayrıca TS denetleyiciye ait 27 parametreli kural tabanı benzerlik analizi ile 9 parametreye indirgenmiştir. Dış katmanda ise dalga yüksekliği ölçümlerine dayalı olarak yüzey dalgalılık oranı (SRI) tabanlı PI dalga kontrolcüsü geliştirilmiştir. Gerçek zamanlı deneyler sonucunda, HSS konum kontrolü için önerilen TS bulanık denetleyicinin klasik PI denetleyiciye kıyasla daha düşük takip hatası ve daha yüksek kararlılık sağladığı gösterilmiştir. Dalga yüksekliği kontrolü için ise PI kontrolcü parametreleri deneysel olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen FPGA tabanlı iki katmanlı kontrol mimarisi, PTWM’ler için otonom ve yüksek doğruluklu dalga üretimi açısından uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır. Düzensiz dalga üretimi kapsamında ise kullanıcı tarafından türetilen JONSWAP spektrumuna bağlı olarak elde edilen referans HSS konum sinyalleri HSS’ye FPGA tabanlı olarak gerçek zamanlı kontrol yapısı üzerinden uygulanmış ve düzensiz dalga üretimi sağlanmıştır.In this thesis, an FPGA-based advanced control architecture is designed, controller parameters are optimized, and the system is experimentally validated to achieve stable, repeatable, and autonomous regular wave generation in a wave channel using a hydraulic servo cylinder (HSS) driven piston-type wave maker (PTWM). The control system is developed using LabVIEW software and NI CompactRIO-9074 hardware, and the dynamic behavior of the HSS-driven PTWM is modeled based on experimental data. Based on the obtained models, position control is first implemented using a classical PI controller, followed by the design of a Takagi–Sugeno (TS) fuzzy logic-based controller. The control structure is addressed as a two-layer architecture. In the inner layer, the position control of the HSS is achieved using PI and TS fuzzy controllers, whose parameters are optimized according to an ITAE-based performance criterion using Particle Swarm Optimization, Harris Hawks Optimization, and Slime Mould Algorithm. In addition, the 27 parameter rule base of the TS controller is reduced to 9 parameters through similarity analysis, thereby decreasing the computational burden. In the outer layer, a PI wave controller based on the Surface Roughness Index (SRI) is developed using wave height measurements. Real-time experimental results demonstrate that the proposed TS fuzzy controller provides lower tracking error and higher stability than the classical PI controller for HSS position control. For wave height control, the PI controller parameters are determined experimentally. Overall, the developed FPGA-based two-layer control architecture offers a practical and high-accuracy solution for autonomous wave generation in PTWM systems. Within the scope of irregular wave generation, reference HSS position signals derived from a user generated JONSWAP spectrum are applied to the HSS through the FPGA-based real-time control structure, enabling the generation of irregular waves.