EGITIM AMAÇLI PNÖMATIK SERVO-KONTROL DÜZENEGIN DENEYSEL DEGERLENDIRMESI

Transkript

1 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI 411 EGITIM AMAÇLI PNÖMATIK SERVO-KONTROL DÜZENEGIN DENEYSEL DEGERLENDIRMESI Mehmet YUNT Ark YETIS Koray K. SAFAK Osma S. TÜRKAY ÖZET Pömatk sstemler edüstrde brçok uygulama alalar bulumaktadr. Hdrolk sstemlere göre daha ekoomk ve düsük güç gerektre uygulamalarda yeterl olmaktadr. Buula brlkte güç letmde kullala hava skstrlablr olmas edeyle hassasyet gerektre kotrol uygulamalarda baz problemlerle karslasmak mümküdür. Hava skstrlablr olmas ede oldugu dogrusalszlk pömatk sstemler hdrolk sstemler kadar hassas modellemes güçlestrmektedr. Bu çalsma amac pömatk br egtm servomekazma düzeeg aalog kotrol uygulamas deeysel olarak degerledrlmesdr. Düzeek üzerde bulua klask PID deetleycs ve durum deetleycs test edlmstr. Souçlar stele degerlere ulasldg gösterms acak çestl kayaklar ede oldugu gürültü problem rdelemes ve gürültüü azaltlmas gerekllg saptamstr. Deey sstem akska gücü kotrol ve otomatk kotrol derslerde egtm amaçl olarak kullalarak temel kavramlar egtm açsda faydal oldugu görüsüe varlmstr. 1. GIRIS Skstrlms hava kayag brçok fabrkada mevcut olmas, lk yatrmlar spete düsük malyetl olmas ve hava güç letmde yaga göre ble avatajlar olmas pömatk sstemler düsük güç gerektre ve blhassa sral kotrol uygulamalarda cazp klmaktadr. Pömatk sstemler dogrusal olmayslar ve skstrlablr olmas edeyle kapal çevrm kotrolda karslasla problemlere ragme tekolojk elemalardak gelsmeler soucuda pömatk servo-kotrol so yllarda daha çok kullalmaktadr. Bulara örek olarak damgalama makalar, çapak alma makalar ve paletleme araçlar gösterleblr. Bu çalsmada rdelee egtm amaçl deeysel düzeek klask PID deetleyc ve durum deetleyc (status cotroller) doam çermektedr. Deetleyc ve güç elemalar aalog olmakla brlkte deeysel verler kaydedp celemek üzere deeysel ssteme PC tabal br ver kayt sstem baglamstr. Çalsmada deetleyc parametreler performasa etkler gözlemlemstr. PID deetleycs ç sr salm ayar yötem ve durum deetleycs ayarlar ç deeme-yalma yötem uygulamstr. Deeysel sstem oldukça y performas gösterdg ve egtm-arastrma amacyla uygu br düzeek oldugu soucua varlmstr. Acak ver kayt sstemde kayaklaa olas elektrksel ve ölçüm gürültüler rdeleerek azaltlmas gereg görülmüstür.

2 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI 41. DENETLEYICI TIPLERI Deeysel çalsmalar klask PID deetleyc ve durum deetleycs kullalarak yapld [1,]..1. PID Deetleyc PID deetleycs trasfer foksyou su formülle fade edlr [3], 1 D(s) = K 1+ + T s D TIs (1) burada K orasal kazaç katsays, T I tegral zama ve T D türevsel zama sabtlerdr. Deeysel pömatk servo -kotrol düzeeg blok dyagram Sekl 1 de gösterlmektedr. Sürtüme ve ds kuvvetler gb bozucu etkeler Ref. koumu Deetleyc Servo valf Kaya tabla Koum Uzuluk ölçümü (potasyometre) Sekl 1. Deeysel pömatk servo -kotrol düzeeg blok dyagram. Bldg üzere kapal çevrm sstemlerde orasal kazaç katsays yükseltmek geel olarak süreklrejm hatas azaltr fakat sstem görecel olarak kararszlga götürür. Itegral kazaç K/T I, t=t 0 zamada öcek hatalar tegral etkyle toplamak suretyle sürekl rejm hatas yok eder. Itegral etk dger öeml br katks sstem cevab hzladrr acak bua karslk sstem cevabda asmaya ede olarak salml kararszlga yöelteblr. Türevsel kotrol kazac KT D artmas sstem cevab hzladrc ve asmay azaltc olumlu etklerde buluur acak gürültülü ölçümler yükselterek olumsuz etkler. Sstem matematksel model blyorsa e y PID katsaylar aaltk olarak hesaplaablr. Brçok edüstryel uygulamada oldugu gb model blmyorsa katsay ayarlar deeysel olarak yaplr. Bu kouda gelstrlms yötemler arasda eçok kullala yötem Zegler-Nchols sr salm yötem ve süreç tepk yötemdr [3]. Sr salm yötemde kapal çevrm sstem sadece orasal deetleycyle kotrol edlrke basamak grs uygular. Orasal kazaç deger K, sstem cevab esk kararllk sra yaklascaya kadar artrlr ve sstem cevab süzodal cevaba yaklasr. Bu durumda sr kazaç deger K u ve süzodal sr peryodu T u ölçülür. Kullalacak deetleyc tpe göre K u ve T u degerler asagdak formüllerde kullalr [3]. Bu formüller aalog sstemler ç gelstrlms olmakla brlkte saysal olarak kotrol edle yavas sstemler ç de kullalablr. P: K p = 0.5 K u () PI: K p = 0.45 K u K I = (0.45K u ) / (0.85 T u ) (3) PD: K p = 0.8 K u K d = (0.8 K u ) (0.1 T u ) (4) PID: K p = 0.6 K u K I = (0.6 K u ) / (0.5 T u ) K d = (0.6 K u ) (0.1 T u ) (5)

3 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI Durum Deetleycs Pömatk sstemler damk deklemler geellkle dogrusal degldrler. Shearer [4] açk çevrm pömatk br servovalf belrl br dege oktasda dogrusallastrlms deklemler türetmstr. Icelee model Sekl. de gösterlmektedr. kotrol hacm Sekl. Pömatk servomekazma [4] Baz kabuller soucuda [4], açk çevrm sstem trasfer foksyou ve söümsüz dogal frekas asagdak seklde elde edlr,?y? k? / A = v s? 1 ( s + ) (6) γp A ϖ = (7) V M (6) deklemde v sürgü valfe uygulaa deplasma grs, y yük çubuguu deplasma çks, ω söümsüz dogal frekas, k 1 valf sabt, γ? hava?spesfk sabt, P grs kaps basc, V baslagçtak hacm, M hareket ede kütle ve A pstou kest aladr. Deklem (6) kararszdr. Sstem kararl yapmak ç açk dögü, (8) deklemyle kapatlr,? y = (K a s + K vs + K?y Böylece sstem kapal çevrm trasfer foksyou (9) deklemyle elde edlr,?y? k? / y [ As( s +? )] [ ( K )k? / As s + )] 1 1+ (K as + K vs + y 1? ) = (9) Sstem doamdak durum deetleycs (8) deklemyle fade edle gerbesleme deetleycs br çesddr. Temel fark hz ve vme syaller degerde çkartmada dogruda durum deetleycs brme baglamasdr. Durum deetleycs koumu kotrol edle kütle, koum hatas, hz ve vme degerler, (10) dekleme göre sler. Kütle koumu dogrusal potasyometreyle ölçüldükte sora hz ve vme deklemler elektroksel türev alarak hesaplar. Durum deetleycs deklem, [ r( t) ( t) ] K ( t) K ( ) y( t) K t = (10) (8) seklde fade edlr. Burada K, K, ve K srasyla, koum, hz ve vme katsaylardr. Bu üç syal toplam br srlaycda geçrlerek deetm syal elde edlr. Durum deetleycs katsaylar e y degerlere ayarlaya br yötem olmadgda, katsaylar deeme-yalma yoluyla ayarlar.

4 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI DENEYSEL DÜZENEK Pömatk devre ve elektrksel kotrol sstem Sekl 3 de gösterlmektedr. Kompresör-tak kayagda ssteme 6 bar basca kadar basçl hava göderleblmektedr. Kompresörü çks basc, basç ayar valfde stele çalsma basca göre ayarlar ve hava süzgec le yaglaycda sartladrlr. Düzeekte 5/3 pömatk yö valf kullalmaktadr. Valf, UCC ekse deetleycs brmde çka 0-10V arasdak elektrksel syalle uyarlr [1]. Valf elektrok devres, sürgü valf koumlamas yaklask 5 ms yerlesme zama ve 70 Hz bat geslgde lestrmektedr [1]. Hareket kotrol edle kütle çft-etkl çubuksuz br sldr-mayetk psto ssteme baglamstr. Kütle ve psto üzerdek mkatslar kuvvet / kltleme etks saglamaktadr. Kütle az sürtümel blyel yataklara baglams olarak k klavuz çubuk üzerde hareket etmektedr. Psto stroku 0 mm dr. Dogrusal potasyometre süpürücüü koumua oratl olarak 0 le 10V arasda voltaj üretmektedr. UCC 10 kotrol brm koumu ve ölçüle degerler karslastrarak pömatk servovalfe uyar syal göderr [5]. Dogrusal hareketledrc ve potasyometre Ref. grds 5/3 pömatk yö valf UCC ekse deetleyc Basç ölçer PRLV Fltre, yaglayc Kompresör-tak Basç aahtar Elektrk motoru Sekl 3. Pömatk sstem devres [1] 4. DENEYSEL YÖNTEM VE SONUÇLAR PID deetleycs Zegler-Nchols yötemyle ayarlamas ç, sürekl zamal sstem A/D çevrcs le örekled ve verler blgsayara kaydedld. Sstemdek öeml frekas bleseler, yaklask 1π rad/sec ola orasal valf frekasyla tüm sstem dogal frekasdr. Tablo 1 de verle sstem parametreler kullalarak sstem teork dogal frekas ϖ = 45 rad/sec olarak hesaplad. Böylelkle, ver toplama sstem örekleme frekas Nyqust örekleme frekasda daha yüksek ola 0 Hz olarak seçld. Tablo 1. Pömatk deetm sstem parametreler γ =1.4 P = 4 bar 5 3 V = m M =.7 kg 4 A = m

5 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI 415 Blgsayardak ADC kart çözüürlügü 1 bt ölçüm aralg se 0-10 V d. Bu yüzde, e büyük cemleme hatas kazacyla çarplarak ölçüm hatas 10 1 = V oldu. E büyük cemleme hatas dogrusal potasyometre V 8 mm 10 V = mm olarak buludu PID Deetleycs Souçlar PID parametreler ayarlamas ç Zegler-Nchols sr salm yötem kullald. Sr salm davras, Sekl 4 de görüldügü gb K u =. degeryle baslad. Sr peryodu, T u = s olarak buludu. Böylece, deetleyc parametreler Tablo de görüldügü gb, Zegler-Nchols formüllere göre hesaplad. Tablo. Zegler-Nchols yötemyle elde edle PID deetleyc parametreler Deetleyc tp Parametreler P: K p = 1.1 PI: K p = 0.99 K I = 6.3 PD: K p = 1.76 K d = PID: K p = 1.3 K I = 14.3 K d = 9.3 Sstem yatlarda asagdak souçlar gözlemled. Orasal deetleyc az mktarda asma le yaklask 3.5 mm sürekl rejm hatas gösterd (Sekl 5). Türev term lavesyle PD deetleycs asmay egelled fakat sürekl rejm hatas egelleyemed (Sekl 6). PI ve PID deetleyclerde bulua tegral eylem Sekl 7 ve 8 de görüldügü gb, sürekl rejm hatas gderd, fakat peryodu yaklask 0.8 s ola süre salmlara sebep oldu. Bu souç su seklde açklaablr: sstem trasfer foksyouda zate br tegrator bulumaktadr, dger br tegratörü lavesyle kuru sürtüme ve hava skstrlablrlg gb dogrusal olmaya etkler brlesmes salml davrasa sebep olmaktadr. Bu davras, sldrde yeterl basc brkmesyle statk sürtüme yelmes soucu olusa geckmeyle de lskldr. Tüm durumlar ç sstem yat ve saretde yüksek frekas gürültüsü görüldü. Bu gürültüler muhtemele elektrksel gürültü grsm, topraklama gürültüsü ve sstemdek ölçüm gürültüsüde kayaklamaktadr Sekl 4. Srda kararllk oktasdak sstem yat (T u deger tespt etmek ç) Sekl 5. Orasal deetleycyle sstem yat (Kp = 1.1)

6 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI Sekl 6. PD deetçsyle sstem yat (Kp = 1.76, Kd = 39.07) Sekl 7. PI deetsyle sstem yat (Kp = 0.99, K = 6.3) Sekl 8. PID deetleycsyle sstem yat (Kp = 1.3, K = 14.3, Kd = 9.3) 4.. Durum Deetleycs Souçlar Durum deetleycs ayarlamasda sezgsel br yötem kullald. Orasal katsay K üç degere erstgde sstem kararsz hale gelmektedr. Bu davras Sekl 9 da gösterlmstr. Hz ger beslemes lave edlerek, hz katsays K k degere ayarladgda, Sekl 10 da görüldügü gb haffçe söümlü br yat elde edld. Yalz, sürekl rejm hatas gderlemed. Bu sebeple hz katsays Sekl 11 de görüldügü gb yedye çkarld. Bu kez asma görülmed, fakat oldukça yavas br yat elde edld. Belrl deetleyc katsaylar ç k basamakl yat karakterstg tespt edld. Klask PID deetleycsde oldugu gb, hz katsays geel olarak salmlar söümleme ve kararllg artrma özellkler görüldü. Daha sora, orasal katsay sabt tutularak (K =3),.7 degerde vme gerbeslemes uygulad; sstem yat Sekl 1 de görülmektedr. Salmlar ortada kayboldu fakat yaklask mm gb yüksek br asma ve sürekl rejm hatas gözlemled. Yükselme zama hz gerbeslemese göre daha düsük çkt. Ivme katsays, ayarlaablecek e yüksek deger ola 10 a getrldgde, Sekl 13 de görüle yat elde edld. Bu yatta, vme katsays salmlar egelleyemedg görüldü. Ivme katsays geel olarak sstem yat hzladrma etks oldugu tespt edld. Sekl da görüle yatlarda brlesk hz ve vme gerbeslemes uygulad. Orasal, hz ve vme katsaylar sstem yata etkler su seklde özetleeblr; orasal katsay arts görecel olarak daha kararsz sstem yata sebep olmaktadr. Fakat bu arts, sürekl rejm hatas ve sstem hz artrr. Bu gözlem klask orasal deetmdeke bezerdr. Hz katsays salmlar azaltr ve sstem kararllg artrr. Ivme katsays asmay egelleyememektedr.

7 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI Sekl 9. K = 3 ç sstem yat Sekl 10. K = 3, K = ç sstem yat Sekl 11. K = 3, K = 7 ç sstem yat Sekl 1. K = 3, K =. 7 ç sstem yat Sekl 13. K = 3, K = 10 ç sstem yat Sekl 14. K = 3, K = 7, K = 10 ç sstem yat

8 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI Sekl 15. K = 3, K = 7, K = 5 ç sstem yat Sekl 16. K = 5, K = 7, K = 5 ç sstem yat SONUÇ Bu çalsmada otomatk kotrolü temel kavramlar göstermek üzere, egtm amaçl tek eksel pömatk br koumlama sstem kuruldu ve test edld. PID ve durum deetm yötemler uygulad ve souçlar celed. Sstem deetmde PID deetleycs gereksmler saglamada yetersz kaldg gözlemled. Durum deetleycs salmsz ve sürekl rejm hatas az ola yat vermede daha basarl oldugu görüldü. Bu sstem, akska gücü kotrolü, kotrol teors veya sstem tamlama koularda egtm veya arastrma amaçl kullalablr. Yalz, gürültüler kayag le olar ortada kaldracak yötemler üzerde daha hassasyetle durulmaldr. KAYNAKLAR [1] BRUER, S., BLIESENER, M., UCC As Cotroller Operator s Maual, FESTO, [] LEHMLER G., RUOFF, J., KIRCH, Z., WILLIAMS, B., Programmg ad Commssog of Servopeumatc Drves, FESTO, [3] FRANKLIN, G.F., POWELL, J.D., EMAMI-NAEINI, A., Feedback Cotrol of Dyamc Systems, Addso-Wesley Publshg Compay, [4] MCCLOY, D., MARTIN, H.R., "The Cotrol of Flud Power", Joh Wley Sos, [5] Quck Referece Gude for the Cotroller UCC, FESTO, 1994.

9 03 III. ULUSAL HIDROLIK PNÖMATIK KONGRESI VE SERGISI 419 ÖZGEÇMISLER Koray K. SAFAK Bogazç Üverstes de 1995 ylda Maka Mühedslg lsas, 1997 ylda se Sstem ve Kotrol Mühedslg yüksek lsas dplomas ald. Maka Mühedslg doktoras byommetk sualt robotuu modellemes ve aalz kousuda 01 ylda Northeaster Üverstesde tamamlad. Damk sstemler modellemes, smülasyou ve kotrolü le robotk koularda çalsmalar yapmaktadr. Yedtepe Üverstes, Maka Mühedslg Bölümü de yardmc doçet olarak çalsmaktadr. ASME Iteratoal üyesdr. Osma S. TÜRKAY 1978 ylda Bogazç Üverstes Maka Mühedslg Bölümüde mezu oldu. Yüksek Lsas dplomas 1979 ylda Susse Üverstes de Kotrol Mühedslg dalda ald. Ay yl Susse Üverstesde Research Fellow bursu kazaarak doktoras Maka Mühedslg Aablm dalda ml ttresmler ve kaymal yataklar kousuda 1984 ylda tamamlad ylda ITÜ Uçak ve Uzay Blmler fakültesde, yllarda Bogazç Üverstes Maka Mühedslg Bölümüde yardmc doçet olarak çalst. Bogazç Üverstes de 1988 ylda doçet, 1995 ylda profesör oldu. 0 ylda ber Yedtepe Üverstes Mühedslk ve Mmarlk Fakültesde deka yardmcs olarak çalsmaktadr. Otomatk kotrol ve maka mühedslg koularda yaylams uluslararas ve ulusal krk kadar makale ve bldrs mevcuttur. Festo A.S. ddaktk yaylarda Pömatkle Malyetler Azaltlmas ktab ortak çevrmelg yapmstr (1987) yllar arasda Arçelk A.S. Arastrma-Gelstrme bölümüde çamasr makalar damk modellemes kousuda dasma arastrmac olarak çalsmstr. TMMOB-MMO üyes ve ASME Iteratoal Türkye Subes kurucu baska/üyelerdedr.