MATLAB/SIMULINK VE ARDUINO DUE KULLANILARAK AYDINLIK SEVİYESİNİN PID KONTROLÖRLE AYARLANMASI*

Transkript

1 MATLAB/SIMULINK VE ARDUINO DUE KULLANILARAK AYDINLIK SEVİYESİNİN PID KONTROLÖRLE * Ali Kırkbaş 1, Semih Ergin 2, Çağrı Kocaman 3, İsmail Yabanova 4, Seçil Varbak Neşe 5, Mehmet Yumurtacı 6 Özet İnsanın hem fiziksel hem de ruhsal sağlığı açısından sınıf, büro ve benzeri çalışma alanlarında aydınlık seviyesi görme konforunu sağlayacak düzeyde olmalıdır. Görme konforunu sağlama, iş verimini arttırmanın yanında her uygulama alanında olduğu gibi ekonomiklik yönünden önem taşımaktadır. Bu nedenle aydınlık seviyesi kontrol edilirken öncelikle gün ışığı optimum düzeyde kullanılmalıdır. Aydınlık seviyesinin belirlenmesi aydınlatma elemanlarının doğru kontrolüne dayanmaktadır. Aydınlatma elemanlarının doğru kontrolü ise enerji dünyasının en önemli konularından biri olan enerji verimliliğini de doğrudan etkilemektedir. Günümüzde aydınlatma elemanı olarak daha az güç ile daha fazla ışık üreten LED (Light Emitting Diode) lambaların kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışma için ışık kaynağı olarak LED in kullanıldığı oda maketi tasarlanmıştır. Aydınlık seviyesinin ölçümünde LDR (Light Dependent Resistor) kullanılmıştır. Endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan PID (Proportional-Integral-Derivative) kontrolör Matlab/Simulink blokları kullanılarak Arduino DUE kartıyla gerçekleştirilmiştir. Arduinonun programlanması, kod yazmaya gerek kalmadan Simulink blokları yardımıyla yapılmıştır. Bu çalışma kontrol sistemleri eğitiminde PID kontrolörün, filtre ve benzeri diğer Simulink bloklarının çıkış sinyali üzerindeki etkilerinin gözlemlenmesi, farklı kontrolör tasarımlarının sisteme adapte edilebilmesi özellikleri ile önemli bir uygulamadır. Anahtar Kelimeler: Matlab /Simulink blok, PID kontrol, aydınlık seviyesi, LED, LDR ADJUSTING WITH PID CONTROLLER OF LIGHTING LEVEL USING MATLAB/SIMULINK AND ARDUINO DUE Abstract For both physical and mental health of human body, the lighting of classroom, office and so the working areas should be sufficient to provide visual comfort. As well as provide visual comfort and increase the working efficiency, economy is important for the lighting design * Bu çalışma IWCEA2015 Çalıştayında bildiri olarak sunulmuştur. 1 Araş. Gör., Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, alikirkbas@pau.edu.tr 2 Yrd. Doç. Dr., Osmangazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, sergin@ogu.edu.tr 3 Yrd. Doç. Dr., Ondokuz Mayıs Üniversitesi Sivil Havacılık Meslek Yüksekokulu, ckocaman@omu.edu.tr 4 Yrd. Doç. Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, iyabanova@aku.edu.tr 5 Araş. Gör. Dr., Marmara Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, secil.varbak@marmara.edu.tr 6 Araş. Gör. Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, mehmetyumurtaci@aku.edu.

2 like as all application area. So the daylight should be used at an optimal level firstly. The lighting level determination is based on correct control of lighting devices. Correct control of lighting devices effects directly energy efficiency that is one of the most important topics of energy world. The usage of LED which provide more lighting with less power consumption as lighting device is increasing day by day. A room model was designed using LED as a light source for this study. LDR was used to measurement the lighting level. PID controller used widely in industrial applications was designed with Matlab/Simulink blocks via Arduino DUE board. Using Simulink blocks, the expended effort for Arduino board code was eliminated. The paper is an important application for control systems education to provide observing effects of PID controller, filter and the other similar Simulink blocks on output signal and adapting the other controller design to the systems. Keywords: Matlab /Simulink block, PID controller, lighting level, LED, LDR Giriş Enerji krizi günümüzde önemli bir sorun haline gelmiştir. Enerji talebinin karşılanabilmesi için enerji tasarrufu son derece etkili bir yardımcı çözüm yöntemidir. İyi bir enerji tasarrufu ve yönetimi gereksiz kullanımı ortadan kaldırılarak enerji tüketiminin azaltılması ile sağlanmaktadır (Skaria vd., 2014). Sınıf, büro vb. yerlerde gün ışığından yeterli ölçüde faydalanılmalı ve kullanılan aydınlatma elemanının ışık akısı kontrol edilerek istenilen aydınlık düzeyi sağlanmalıdır. Aydınlatma armatürünün sürekli olarak tam gücünde çalışması gereksiz yere güç sarfiyatı oluşturmaktadır. Gerek güç sarfiyatını en aza indirgemesi gerekse verdikleri ışık akısının yüksek olmasından dolayı günümüzde LED lerden oluşturulan armatürlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. LED ler geleneksel ışık kaynaklarıyla karşılaştırıldığında ışık özelliklerinin kontrolü kolay ve çok yönlü olup tepki süreleri çok hızlıdır (Teikari vd., 2012). Teikari vd. (2012), LED ler ile yaptıkları çalışmalarında ışık şiddetinin doğrusal olarak kontrolünün sağlanmasında Arduino da üretilen PWM (Pulse Width Modulation) sinyalini kullanmışlardır. Ardunio UNO kullanılan diğer bir çalışma Dutta ve Rudra (2014) tarafından oda içerisinde kişinin varlığına göre aydınlık seviyesinin ayarlanması üzerinedir. Deney odasındaki kişinin/kişilerin varlığının belirlenmesini kapının iç ve dış kısmına yerleştirdikleri LDR ile gerçekleştirmişler ve duruma göre lambanın açılıp-kapanmasını kontrol etmişlerdir. Barber vd. (2013), yaptıkları çalışmada DAQ kartı yerine daha düşük maliyetli olan Arduino kartı kullanarak Matlab/Simulink blokları ile DC motorun hız kontrolünü gerçekleştirmişlerdir. Rai ve Rai (2013), çalışmalarında DC motorun hız kontrolünü PID ve çok katmanlı yapay sinir ağları ile Arduino UNO kartı aracılığıyla yapmışlardır. Zulkifli vd. (2014), Arduino ile Matlab tabanlı olarak üç fazlı asenkron motorun hız ayarı için bir inverter benzetimi ve gerçek zamanlı uygulamasını gerçekleştirmişlerdir. Bhowmick vd. (2013), robot kolu tasarımı üzerine çalışmışlardır. NI USB-6008 veri toplama kartı ile kol kaslarından alınan EMG sinyalini yükseltip Matlab ortamına aktarmışlardır. Kol hareketlerini gerçekleştiren servo motoru Arduino Diecimila kartı üzerinden yapay sinir ağları ile kontrol etmişlerdir. Bu çalışmada, bir oda maketi içerisindeki aydınlık seviyesi kontrol edilmiştir. Işık kaynağı olarak LED, mevcut aydınlık seviyesini belirlemek için LDR sensör olarak kullanılmıştır. Arduino DUE kartı Matlab/simulink blokları ile Arduino blokları birlikte kullanılarak programlanmış ve LED in parlaklığı PID ile kontrol edilmiştir. Oluşturulan 136

3 sistem üzerinde donanımsal bir değişiklik yapılmadan yazılımsal değişiklikle Bulanık Mantık veya Yapay Sinir Ağlarıyla da aydınlık düzeyinin kontrolü gerçekleştirilebilir. Arduino DUE Kartı Arduino DUE, Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 işlemci tabanlı açık kaynak kodlu mikro denetleyici kartıdır. Arduino tabanlı 32-bit ARM çekirdekli ilk mikro denetleyici kartı olup çalışma frekansı 84 MHz tir. 54 adet dijital giriş/çıkış (bunların 12 adeti PWM çıkışı olarak kullanılabilir), 12 adet analog girişi (ADC), 2 adet analog çıkışı (DAC) 4 adet seri port, 2 adet TWI haberleşme portu,, SPI bağlantısı, JTAG bağlantısı ve harici besleme için güç girişine sahiptir. Mikro denetleyici 512 KB kalıcı belleğe ve 94 KB sabit rastgele erişimli belleğe sahiptir ( Şekil 1 de Arduino DUE kartının görüntüsü verilmiştir. Şekil 1: Arduino DUE Kartı PID (Proportional- Integral-Derivative) Kontrolör PID kontrolör doğrusal ve doğrusal olmayan sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır (Kelly vd., 2001). PID kontrolör, süreç kontrolü, motor sürücüleri, manyetik ve optik bellekler, otomotiv, uçuş kontrolü, enstrümentasyon vb. gibi birçok alana uygulanmıştır. PID kontrolörün standart tek-çevrim kontrolör, programlanabilir lojik kontrolörde yazılım bileşeni, robotlar ve CD oynatıcıların kontrolleri, dağıtık kontrol sistemleri gibi birçok farklı uygulama şekli mevcuttur (Aström ve Hagglund, 2001). 137

4 Şekil 2: Kapalı Çevrim PID Kontrolörle Bir Sistemin Kontrolü (Çoşkun ve Terzioğlu, 2007). Şekil 2 deki e(t) hata sinyalini göstermekte olup R(t) referans değeri ile B(t) referans değer türünden kontrol edilen sistemin gerçek çıkış değeri arasındaki farkı ifade etmektedir. Şekil 2 den de görüldüğü üzere hata sinyali doğrudan PID kontrolörün girişine uygulanmaktadır. Üç terimli kontrolör olarak bilinen standart PID kontrolörün paralel formda yazılışı denklem (1) de verilmiştir (Taşçı vd., 2012). PID kontrolörün çıkışında elde edilen sinyale kontrol sinyali denir ve u(t) ile gösterilmiştir. d u t KPe KI e KD e dt (t) (t)dt (t) (1) Burada, K P oransal kontrolörün kazanç katsayısını, K I integral kontrolörün kazanç katsayısını ve K D türev kontrolörün kazanç katsayısını göstermektedir. PID kontrolörün her bir teriminin fonksiyonel özellikleri aşağıdaki gibidir; (Ang vd., 2005) - Oransal terim, hata sinyaliyle orantılı tam bir kontrol hareketi sağlar. - İntegral terim, integral alıcı düşük frekansı dengeleme yoluyla kalıcı durum hatalarını azaltır. - Türev terim, türev alıcı yüksek-frekansı dengeleme yoluyla geçici tepkiyi geliştirir. PID kontrolörün kapalı çevrim performansında bu üç terimin birbirinden ayrı olarak etkileri Tablo 1 de özetlenmiştir. En uygun performans K P, K I, K D kazanç katsayılarının karşılıklı olarak ayarlanmasına bağlıdır (Liv vd., 2006). Tablo 1: Kapalı Çevrim Bir Sistemin Çıkış Sinyali Üzerine Birbirinden Bağımsız Olarak Artan K P, K I, K D Kazanç Parametrelerinin Etkileri (Liv vd., 2006). Yükselme Aşım Yerleşme Kararlı Durum Kararlılık Zamanı Zamanı Hatası K P K I Azalır Küçük azalma Artar Artar Küçük artış Artar Azalır Büyük azalma Azalır Azalır K D Küçük azalma Azalır Azalır Küçük değişim Artar Deneysel Sistem ve Sistemden Alınan Veriler Bir oda içerisindeki aydınlık seviyesinin PID ile kontrolünü benzetmek amacıyla küçük bir oda maketi tasarlanmıştır. Aydınlatma aracı olarak bir LED kullanılmış, oda maketi içerisindeki aydınlık seviyesi lüks metre ile değil LDR ve omik dirençten oluşan gerilim bölücü ile ölçülmektedir. Bu nedenle aydınlık seviyesinin birimi mv olarak belirlenmiştir. Arduino DUE kartının çalışma gerilimi 3.3V olduğundan analog girişe uygulanacak ve PWM çıkışlarından alınacak maksimum gerilim değeri 3300mV tur. Aydınlık seviyesinin değişimi mV arasında olacaktır. Güneş ışınlarının gün içerisindeki değişimini benzetmek amacıyla oda maketi arka duvarına bir LED daha yerleştirilmiştir. Gerek aydınlatma aracı olan LED gerekse güneş ışınlarını benzetmek amacıyla kullanılan LED Aruino DUE kartının PWM çıkışlarıyla 8 bit (0-255) olarak sürülmekte olup mv arasında gerilim uygulanarak oda maketi içerisindeki aydınlık seviyesi ayarlanmaktadır. Ön kapağın açıklık durumu da sistemde bozucu etki olarak kullanılabilmektedir. Uygulamayla ilgili bağlantı şeması ve deney düzeneği ayrıntılı olarak Şekil 3 te verilmiştir. 138

5 Şekil 3: Aydınlatma Seviyesinin Kontrolüne Ait Bağlantı Şeması ve Deney Düzeneği Aydınlık seviyesinin Matlab/Simulink bloklarıyla PID kontrolör ile gerçekleştirilmesi durumuna ait akış şeması detaylı olarak Şekil 4 te verilmiştir. Şekil 4: Aydınlık Seviyesinin Matlab/Simulink Bloklarıyla PID Kontrolör ile Gerçekleştirilmesi İşlemine Ait Akış Şeması Arduino DUE kartının programlanmasında Arduino IDE yazılımı yerine Matlab/Simulink blokları kullanılmıştır. Arduino blokları, donanımsal destek paketi ekleme yoluyla Matlab/Simulink kütüphanesine eklenerek kullanılır. Bu bloklar yazılım işlemini görselleştirmektedir. Matlab /Simulink için Arduino blokları Şekil 5 te verilmiştir. Matlab/simulink ve Arduino nun bloklarının birlikte kullanılmasıyla oluşturulan Şekil 6 daki benzetim dosyasının derlenmesiyle elde edilen kodlar Arduino DUE kartına yüklenmekte ve çalıştırılmaktadır. 139

6 Denklem (1) den faydalanılarak oluşturulan klasik paralel PID kontrolörün K P, K I ve K D kazanç parametrelerinin belirlenmesinde deneme yanılma yönteminden faydalanılmıştır. Aydınlık seviyesinin 2000mV olması istenildiği durumunda oransal kontrolör kazanç parametresi Kp=6.5, integral kontrolör kazanç parametresi Ki=0.08 ve türev kontrolör kazanç parametresi Kd=0.02 seçildiğinde gerçek aydınlık seviyesi ve kontrol sinyalinin değişimi Şekil 7 de verilmiştir. LDR nin ışığa gösterdiği tepki çok hızlı olduğundan istenilen aydınlık seviyesine kısa bir sürede çok küçük hata ile erişilebilmektedir. Şekil 5: Matlab/Simulink Arduino Blokları Şekil 6: Matlab /Simulink Blokları ile Arduio Bloklarının Birlikte Kullanılmasıyla Aydınlık Seviyesinin Kontrolünün PID ile Gerçekleştirilmesi Gerçekte oda penceresinden giren güneş ışınlarının değişimini benzetmek için sinyal oluşturma bloğuyla LED e uygulanan PWM sinyalinin duty cycle değeri (0-3300mV / 0-255) simülasyon süresi boyunca değiştirilmektedir (Şekil 8). İstenilen aydınlık seviyesine güneş ışınlarının da etkisi ilave edildiğinde kontrol sinyalindeki değişim Şekil 9 daki gibi olmaktadır. 140

7 Şekil 7: İstenilen Aydınlık Seviyesinin 2000mV Olduğu Durumda Gerçek Aydınlık Seviyesi ve Kontrol Sinyalinin Değişimi (Güneş Işınlarının Etkisinin Olmadığı Durum) Şekil 8: Sinyal Oluşturma Bloğuyla Güneş Işınlarının Değişiminin Benzetimi Belirli bir çalışma süresi için farklı zamanlarda değişik aydınlatma seviyelerinin seçiminde referans olarak sinyal oluşturma bloğundan faydalanılmıştır. Bu durumda istenilen aydınlık seviyesi ile gerçek aydınlık seviyesinin değişimine ait veriler aynı PID kontrolör kazanç katsayılarına göre Şekil 10 da verilmiştir. 141

8 Şekil 9: İstenilen Aydınlık Seviyesinin 2000 mv Olduğu Durumda Gerçek Aydınlık Seviyesi ve Kontrol Sinyalinin Değişimi (Güneş Işınlarının Etkisinin Olduğu Durum). Şekil 10: Belirli Bir Süre Boyunca Farklı Aydınlatma Seviyelerinin Sağlanması Durumuna Ait İstenilen ve Gerçek Aydınlatma Seviyelerinin Karşılaştırılması Şekil 7, Şekil 9 ve Şekil 10 dan da görüleceği üzere PID kontrolörle istenilen aydınlık seviyesi çok kısa bir sürede sağlanabilmektedir. Arduino DUE kartıyla kontrol işlemi gerçekleştirildiğinden donanımsal her hangi bir değişiklik yapılmadan Matlab/Simulink 142

9 blokları yardımıyla Bulanık Mantık veya ANN yöntemleriyle aydınlık seviyesinin kontrolü kolay bir şekilde gerçekleştirilebilir. Sonuçlar İnsanın hem fiziksel hem de ruhsal sağlığı açısından sınıf, büro ve benzeri çalışma alanlarında aydınlık seviyesinin görme konforunu sağlayacak düzeyde olması gerekmektedir. Bu ortamlarda uygun aydınlık seviyesinin sağlanmasında gün ışığından etkin bir şekilde yararlanılmalı yetersiz kaldığı durumlarda yapay ışık kaynaklarından faydalanılmalıdır. Aydınlatma elemanları, sürekli tam gücünde kullanılması yerine istenilen aydınlık seviyesini sağlayacak güçte çalıştırılmalıdır. Buda ışık miktarının kontrolü ile sağlanabilmektedir. Bu çalışmada bir oda maketi içerisinde istenilen aydınlık seviyesinin kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla aydınlatma elemanı olan LED in ışık miktarının kontrolünde PID kontrolör kullanılmıştır. PID kontrolör Matlab/Simulink ve Arduino blokları kullanılarak programlanan Arduino kartıyla gerçekleştirilmiştir. Aydınlık seviyesinin ölçümünde LDR ve omik dirençten oluşan gerilim bölücü devre kullanılmıştır. Temel olarak kapalı çevrim kontrol sistemi yapısının gösterimi, PID kontrolörün bileşenleri ve kontrol edilen sistem üzerindeki etkilerinin incelenmesi için lise ve yükseköğrenim seviyesinde öğrencilere önemli katkı sağlayacak bir çalışmadır. Matlab/Simulink ve Arduino blokları kullanılarak daha kapsamlı çalışmalar Arduino kartıyla gerçekleştirilebilir. Bu çalışmaya donanımsal bir değişiklik yapmadan Bulanık Mantık / Yapay Sinir Ağları vb. kontrol yöntemleri kolayca uygulanabilir. Kaynakça Ang, K.H., Chong, G., ve Li, Y. (2005). PID control system analysis, design and technology. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 13(4), Aström, K.J., ve Hagglund, T. (2001). The future of PID control. Control Engineering Practice, 9, Barber, R., Horra, M., ve Crespo, J. (2013). Control practices using simulink with arduino as low cost hardware. Preprints of the 10th IFAC Symposium Advances in Control Education The International Federation of Automatic Control, University of Sheffield, Sheffield, UK. Bhowmick, S., Bag, R., Hossain, S.K.M, Ghosh, S., Mazumder, S., ve Gupta, S.D. (2013). Modelling and control of a robotic arm using artificial neural network. IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR-JCE), 15(2), Coşkun, İ., ve Terzioğlu, H. (2007). Hız performans eğrisi kullanılarak kazanç (PID) parametrelerinin belirlenmesi. Selçuk Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Teknik-Online Dergisi (Journal of Technical-Online), 6(3), Dutta, P., ve Rudra, R. (2014). Intelligent Home Lighting System. International Journal of Engineering Research and Development, 10(6), adresinden 5 Eylül 2015 tarihinde alınmıştır. Kelly, R., ve Moreno, J. (2001). Learning PID structures in an introductory course of automatic control. IEEE Transactions on Education, 44(4), Rai, N., ve Rai, B. (2013). Neural Network based Closed loop Speed Control of DC Motor using Arduino Uno. International Journal of Engineering Trends and Technology, 4(2), Skaria, S., John, M., ve Paul, B. (2014). Automatic lighting controller. International Journal of Engineering Research and Development, 10(2),

10 Taşçı, G., Küçükyıldız, G., Ertunç, H.M., ve Ocak, H. (2012). PID ve bulanık mantık ile DC motorun gerçek zamanda DSPIC tabanlı konum kontrolü. Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK-2012, Niğde, Türkiye. Teikari, P., Najjar, R.P., Malkki, H., Knoblauch, K., Dumortier, D., Gronfier, C., ve Cooper, H.M. (2012). An inexpensive arduino-based LED stimulator system for vision research. Journal of Neuroscience Methods, 211(2): Li, Y., Ang, K.H., ve Chong, G.C.Y. (2006). PID Ccontrol system analysis and design problems, remedies, and future directions. IEEE Control Systems Magazine, Zulkifli, S.A., Hussin, M.N., ve Saad, A.S. (2014). MATLAB-arduino as a low cost microcontroller for 3 phase inverter. In Research and Development (SCOReD), 2014 IEEE Student Conference on,