ELN3052 OTOMATİK KONTROL BAHAR

Transkript

1 ELN3052 OTOMATİK KONTROL BAHAR

2 Dersin Adı Dersin Kodu Dersin Yarıyılı Dersin Kredisi Ders Uygulama 3 0 Otomatik Kontrol ELN Laboratuar (Saat/Hafta) 0 Dersin Dili Türkçe Dersin Türü Seçmeli Dersin Ön Koşulu Yok Dersin Koordinatörleri Dersin İçeriği Dersin Amacı Yardımcı: Arş. Gör. Dr. Metin HATUN Otomatik kontrol ve geribeslemeli denetim sistemlerinin tanımı, özellikleri. Sistem dinamiği ve sistem dinamiğine esas olan matematiksel bağıntıların çıkarılması, yorumlanması ve çözümü. Sistemlerin geçici ve kalıcı durum karakteristikleri. Temel Denetim etkileri ve denetleyici tasarımı. Frekans cevabı yöntemleri.sistemlerin kararlık durumunun analizi. Kök yer eğrileri ve kök yer eğrileri yoluyla denetleyici tasarımı Teknolojik alanda yer alan Otomatik Kontrol sistemlerinin çalışmasının ve işlevlerinin anlaşılmasını sağlayan bilgi ve beceriyi matematiksel bağıntılarla birlikte kazandırmak.

3 Dersin Kazandıracağı Bilgi ve Beceriler 1. Otomatik Kontrol konusu ile ilgili temel kavramları ve tanımları öğrenir. 2. Sistem dinamiği ve otomatik kontrol konularının matematiksel analizinde kullanılan Laplace dönüşüm özellikleri ve temellerini ve bu konuda uygulama yapmasını öğrenir. 3. Otomatik kontrol sistemlerinin dinamik analizine esas teşkil eden matematiksel modellerin çıkarılmasını ve bu konuda yeterli uygulama yapmasını öğrenir. 4. Otomatik kontrol sistemlerinin giriş çıkış özelliklerini tanımlayan transfer fonksiyonları ve blok şemalarının çıkarılmasını ve bu konularda yeterli uygulama yapabilme yeterliliği kazanır. 5. Sistemlerin belli bir giriş karşısında gösterdiği geçici ve kalıcı durum davranışının elde edilebilmesi ve bu konuda gerekli kavramları öğrenir. Bunlara bağlı olarak bir denetim sisteminde zaman gecikmesi ve kalıcı durum hataları ile ilgili tanımları kavrar. 6. Doğrusal sistemlerin kararlılık koşullarının araştırılması, bu konuda temel basit bir kararlılık ölçütü olan Routh-Hurtwitz ölçütünün uygulanmasını öğrenir. 7. Denetleyici tasarımı ve, temel kontrol biçimlerinin ve bunların çalışma tarzlarını anlar ve endüstriyel denetim sistemlerinde uygulama olanaklarını ve ayrıca bu denetim organlarının en uygun ayarının belirlenmesini öğrenir. Ayrıca değişik yapıda denetleyici tasarımı 8. Frekans cevabı, Bode ve Nyquist eğrileri gibi temel frekans cevabı eğrilerinin elde edilmesini ve frekans alanı cevabına göre kararlılık analizinin yapılabilmesini ve buna bağlı olarak kararlılıkta faz ve kazanç paylarının anlamını ve uygulamasını öğrenir. 9. Kök eğrileri ve denetleyici tasarımı Ve Otomatik Kontrol da MATLAB uygulamaları

4 Ders Kitabı (Ders Notu) Yararlanılacak Diğer Kaynaklar Otomatik Kontrol, Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, 5. Baskı, Nobel Otomatik Kontrol Sistemleri, Benjamin C. KUO, Çeviren: Prof. Dr. Atilla BİR, 2. Çözümlü Otomatik Kontrol Problemleri, Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, İbrahim YÜKSEL, Mesut ŞENGİRGİN, Gürsel ŞEFKAT, Vipaş MATLAB ile Mühendislik Sistemlerinin Analizi ve Çözümü, İbrahim YÜKSEL, 3. Baskı, Nobel Modern Control System, R. C. Dorf & R.H. Bishop, 9.Baskı, 2001, Prentic Hall, 5. Control System Design, G. C. Goodwin, S.F. Graebe, M.E. Salgado, 2001, Prentic Hall 6. Design of Feedback Control Systems, R.T. Stefani, B. Shahian, C.J. Savant, G. H. Hostetter. Oxford University Press, Modeling, Analysis, and Control Dynamic Systems, W.J. Palm III, John Wiley & Sons. Inc., 1999

5 Ödev ve Projeler Laboratuvar Deneyleri Bilgisayar Kullanımı En az iki adet ödev hazırlanacaktır. Ödev konuları: -Genel bir otomatik kontrol sistemi üzerinde geribeslemeleri denetim uygulamalarının açıklanması -MATLAB/Control System Toolbox kullanarak sistemlerin dinamik davranışının ve denetim ayarının çözümünün gerçeklenmesi. -Laboratuar deneyleri üzerinde sistemlerin gerçek zaman davranışının analizi Süreç denetim sistemi ve Motor denetim deneyleri MATLAB/Control Toolbox ve Simulink yardımıyla otomatik kontrol problemlerinin çözümü Diğer Uygulamalar

6 DERSİN BAŞARI ÖLÇÜM ve DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ Çalışmalar Yarıyıl Sonu Sınavına Girebilmek İçin Asgari Şartlar Sayı Başarı Notuna Toplam Katkısı(%) Ara Sınavlar 1 % 23 Kısa Sınavlar 1 % 15 Ödevler 2 % 12 Projeler Laboratuar Diğer Derse Devam % 70 Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % 50

7 1. Hafta Şubat Hafta Şubat Hafta Şubat Hafta Mart Hafta Mart Hafta Mart Hafta Mart Ders: Dersin tanıtımı, içeriği ve yararlanılacak kaynaklar. 2. Ders: Denetim sistemleri ile ilgili temel kavramlar 3. Ders: Denetim sistemlerinin yapısı ve kullanım alanı 1. Ders: Laplace dönüşümleri ve özellikleri 2. Ders: Bazı standart giriş fonksiyonları ve bunların Laplace dönüşümleri 3. Ders: Ters Laplace dönüşümleri. 1. Ders :Matematiksel model ve sistem dinamiğine giriş. 2. Ders :Transfer fonksiyonun tanımı ve özellikleri. 3. Ders: Standart TF ve dinamik davranış parametreleri 1. Ders : Blok şemalar, temel elemanları ve indirgenmesi 2. Ders : Çok girişli blok şema indirgemesi. (Bozucu girişten doğan TF ve özellikleri) 3. Ders: Blok şema indirgeme örnekleri 1. Ders : İşaret Akış Grafikleri 2. Ders :Durum Denklemleri gösterimi 3. Ders: Durum denklemleri ve T.F. 1. Ders :T.F. uygulamaları: Dif. Denk. Den T.F. eldesi 2. Ders : Elektriksel sistemler, T.F. 3. Ders: Elektromekanik sistemleri T.F 1. Ders : Sistemlerin geçici durum davranışı ve temel özellikleri. 2. Ders : Geçici durum davranışı ile ilgili parametrelerin incelenmesi 3. Ders: Kalıcı durum davranışı ve kalıcı durum hatası.

8 8. Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Mayıs Hafta Mayıs 2009 Ara Sınav 1. Ders : Kararlılık ve Routh Ölçütü 2. Ders : Geribeslemeli sistemlerde kararlık uygulaması 3. Ders: Uygulama örnekleri. 1. Ders : Denetim etkisi ve denetleyici tasarımı 2. Ders : Temel denetim etkileri, özellikleri ve matematiksel bağıntıları 3. Ders: PID denetimi ve temel özellikleri ve ayarı 1. Ders : PID ayarı ile ilgili uygulamalar, Matlab 2. Ders : PID ayarı ile ilgili uygulamalar, Matlab 3. Ders: Denetim organının deneysel ayarı. 1. Ders : Frekans alanı cevabı yöntemlerinin ve özellikleri 2. Ders : Logaritmik veya Bode eğrilerinin Matlab ile çözümü 3. Ders:. Nyquist Kararlılık ölçütü. Bağıl kararlılık: Faz ve kazanç payları. 1. Ders : Kök yer eğrileri 2. Ders : Kök yer eğrileri çizimi 3. Ders: Kök yer eğrileri ile kararlılık analizi. 1. Ders : Kök yer eğrileri ile denetleyici tasarımı 2. Ders :Değişik denetleyici tasarımları 3. Ders: Kısa Sınav.

9 SİSTEM (System): Genel anlamda; bir bütün oluşturacak şekilde karşılıklı olarak birbirine bağlı elemanlar toplamıdır diye tanımlanabilir. Fiziksel anlamda; bir amacı gerçekleştirmek için düzenlenmiş ve bütün bir birim olarak hareket etmek üzere birleştirilen etkileşimli ya da ilişkili fiziksel elemanlar düzenidir. DENETİM (Control): Denetim kelimesi genellikle ayarlamak, düzenlemek, yöneltmek veya kumanda etmek anlamlarına gelir. Tanım olarak; bir değişken niceliğin ya da değişken nicelikler kümesinin önceden belirlenmiş bir koşula uyumunu sağlamaya yönelik olarak gerçekleştirilen işlemler bütünüdür. DENETİM SİSTEMİ (Control System): Kendisini veya diğer bir sistemi kumanda etmek, yönlendirmek veya ayarlamak üzere birleştirilen fiziksel organlar kümesidir. Mühendislik açısından denetim sistemi, en az veya hiçbir insan girişimi gerektirmeyecek şekilde, arzu edilen işlevleri ve sonuçları sağlamak üzere bir araya getirilen makine, süreç (process) ve diğer aygıt donanımlarının (Instrumentation) otomatik çalışmasını ifade eder. Denetim sistemleri, denetlenen niceliklerin değerlerini sabit tutar ya da bu değerleri, önceden belirlenmiş biçimde değişmesini sağlar. GERİBESLEMELİ DENETİM (Feedback Control): Denetlenen çıkış değişkenin ölçülüp geri beslenerek arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırıldığı kapalı-döngü denetim sistemidir. Sistemin çıkışı, arzu edilen çıkış değerini sağlayacak bir biçimde giriş niceliği üzerine etki eder. Açık-döngü ve kapalı-döngü denetim sistemleri arasındaki temel fark geribesleme etkisidir. Geribesleme etkisi ise negatif geribesleme ve pozitif geribesleme olarak ikiye ayrılır. Negatif geribesleme çıkışın girişe ters yönde etki ettiği ve pozitif geribeslemede çıkışın girişe aynı yönde etkidiği sistem olarak tanımlanır. Endüstriyel denetim sistemlerinde uygulanan geribesleme etkisi negatif türdendir.

10 Bir sistemin girişleri değişirse sistem nasıl davranır; yani çıkışlar nasıl değişir. Çıkışın özelliklerini iyileştirmek için sistem üzerinde ne gibi değişiklikler yapılabilir? Sistemin sınırı Girişler Dinamik Sistem Çıkışlar Giriş ve çıkışları ile bir dinamik sistem

11 Matematik Fizik bilimleri Yaşam bilimleri Sosyal bilimler SİSTEM DİNAMİĞİ Kimyasal ve imalat işlemleri Güç sistemler Bilgi ve iletişim işlemleri Biyolojik ve tipi araştırmalar Nakliye ve çevre denetimi Termodinamik Elektronik Akışkan Mekaniği Mekanik Titreşim Ekonomi ve endüstriyel sistemler Otomatik Kontrol Hidrolik Yapı dinamiği Bilgisayar sistemleri Akustik

12 DENETİM SİSTEMİ GİRİŞ Arzu Edilen Giriş Başvuru Girişi DENETLEYEN Denetim Organı Motor Eleman Actuator (Eyleyici) DENETLENEN Denetlenen Sistem ÇIKIŞ Denetlenen Değişken Denetim Sistemi Açık Döngü Kapalı Döngü

13 KAPALI DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ DENETİM SİSTEMİ GİRİŞ Arzu Edilen Giriş Başvuru Girişi DENETLEYEN Denetim Organı Karşılaştırıcı Motor Eleman Actuator (Eyleyici) Geribesleme Elemanı Sensor(Algılayıcı) DENETLENEN Denetlenen Sistem ÇIKIŞ Denetlenen Değişken

14 DENETİM SİSTEMİ BLOK (İŞLEVSEL) ŞEMASI Karşılaştırıcı GİRİŞ r(t) + _ Denetim İşareti veya Bilgisi Motor Denetim Eleman Organı veya e(t) Actuator Algoritması m(t) a(t) (Eyleyici) Hata veya Sapma DENETLEYEN Düzeltme İşareti Bozucu Giriş Denetlenen Sistem ÇIKIŞ c(t) Geribesleme İşareti b(t) Geribesleme Elemanı (Ölçme Elemanı veya Algılayıcı)

15 Kontrol Mühendisliği Kontrol Mühendisliği; verilen öğretimintemelilkesivebueğitim süreci içinde öğrenciye sunulan ders programının temel amacı, endüstriyel bir işletmenin üretim kalitesinin ve verimliliğin arttırılmasını sağlayan en önemli araç olan, Endüstriyel Otomasyon Sistemleri nin tasarımına ilişkin kuramsal ve çağdaş teknolojik bilgiler ile donatılmış Kontrol Mühendislerini yetiştirmektir. Kontrol Mühendisliği nedir? Kontrol Mühendisliği; elektrik, elektronik, mekanik ve bilgisayar tabanlı tüm endüstriyel üretim sistemlerinin amaçlanan ve planlanan biçimde çalışmasını sağlayan bilgi ve ve teknolojileri üreten ve uygulayan bir mühendislik dalıdır. Kontrol Mühendisliği Programı, otomatik kontrol teorisi ve uygulamaları, endüstriyel otomasyon, ölçme ve entrümantasyon, robotik, bilgisayar tabanlı endüstriyel bilişim sistemlerinin tasarımı ve uygulamaları konularında eğitim verir ve araştırma yapar:

16 Kontrol Mühendisliği'nin Temel Eğitim ve Araştırma Alanları okontrol ve Sistem Teorisi omodelleme, Simülasyon ve Sistem Belirleme oendüstriyel Otomasyon ve Robotik oproses Kontrol, Ölçme ve Enstrümantasyon ohareket Kontrol Sistemleri (Servo Sistemler, Elektrikli Ulaşım Sistemleri vb..) osürücü Sistemler (Elektrik, Elektronik, Pnömatik ve Hidrolik) oakıllı Sistemler (Fuzzy Kontrol, Yapay Sinir Ağları ve Genetik Algoritmalar vb..) oendüstriyel Veri İletişim Sistemleri obilgisayar Tabanlı Gerçek Zaman Kontrol Sistemleri (PC, DSP, PLC, mc, vb)

17 Kontrol Mühendisleri ne iş yapar? Kontrol Mühendisleri, kontrol sistemleri tasarlayan ve üreten endüstriyel otomasyon sektöründe araştırma, tasarım ve üretim mühendisi olarak veya çeşitli fabrikalarda bakım, onarım ve endüstriyel işletme hizmetlerinde çalışabilirler

18

19

20 Sıcaklık Ölçer Sıcak Su Buhar Elle Denetim valfı Sıcaklık Ölçer Sıcaklık Duyar Sıcak Su Soğuk Su Buhar Denetim Organı Eleman Sıcak Su Elle Denetim valfı Otomatik Denetim Valfi Soğuk Su Soğuk Su

21 Elle ve Otomatik Sıcaklık Denetim Sistemi Karşılaştırması

22 TERMOSTAT (SICAKLIK AYARLAYICI) TİPİ SICAKLIK DENETLEYİCİSİ VE ALGILAYICISI Metal çifti sıcaklık algılayıcısı

23 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHSEL GELİŞİMİ Geribeslemeli kontrolün ilk örneği M.Ö periyodunda Yunanistan da şamandıra düzenleyici mekanizmasının gelişimiyle görüldü.

24 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHSEL GELİŞİMİ Endüstriyel süreçlerde kullanılan ilk geribeslemeli denetici, buharlı makinelerin hızını düzenlemek için 1769 da James Watt tarafından geliştirilen düzenektir.

25

26

27

28 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHİ 1769 James Watt ın buhar makinesi ve deneticisini geliştirmesi Eli Whitney in tüfek üretiminde ispatlanan değiştirilebilir parçaların imalatıyla ilgili kavramı. Bu kavram seri imalatın başlangıcı olarak bilinir. Buharlı makinelerin kontrolü için bir matematik modelin J.C. Maxwell tarafından formülüzasyonu Henry Ford un, otomobil üretimi için özel amaçlı makine mekanizmalarına giriş H. Nyquist tarafından geliştirilen sistemlerin kararlılığı için bir analiz metodu. İmalat makineleri için MIT tarafından geliştirilen Nümerik Kontrol(NC) George Devol tarafından geliştirilen ilk endüstriyel robot tasarımı olarak ele alınabilecek, programlanmış yazı transferi Devol ün tasarımına dayanan ilk unimate robota giriş de döküm makinelerinde unimate kuruldu Durum değişkenli modeller ve optimum kontrolün gelişimi Gürbüz (Robuts) kontrol sistem tasarımı yaygın kullanımı Otomasyon şirketleri Geribeslemeli kontrolün otomobillerde yaygın kullanımı Mars yüzeyinin keşfi için, Sojourner olarak bilinen ilk gezegenler arası araçlar,

29

30

31

32

33

34

35

36

37