MAK3002 OTOMATİK KONTROL BAHAR. Ders Kitabı (Ders Notu)

Transkript

1 MAK3002 OTOMATİK KONTROL BAHAR Dersin Adı Otomatik Kontrol Dersin Dili Dersin Türü Dersin Ön Koşulu Dersin Koordinatörleri Dersin İçeriği Dersin Amacı Dersin Kodu MAK 3002 Türkçe Zorunlu Yok Dersin Yarıyılı 6 Dersin Kredisi Laboratuar (Saat/Hafta) /Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT/ Öğr. Gör. Dr. Elif Erzan TOPÇU/Öğr.Gör.Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK 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 endüstriyel denetim organları. Sistemlerin kararlık durumunun analizi ve Frekans cevabı yöntemleri. Teknolojik alanda yer alan Otomatik Kontrol sistemlerinin çalışmasının ve işlevlerinin anlaşılmasını sağlayan bilgi ve beceriyi matematiksel bağıntılarla birlikte kazandırmak. 4 Ders Uygulama 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. Otomatik Kontrol sistemlerinin beynini teşkil eden denetim organlarının yapısının, temel kontrol biçimlerinin ve bunların çalışma tarzlarını anlar ve endüstriyel denetim sistemlerinde uygulama olanaklarını ve ayrıca bu denetim organlarının en uygun ayarının belirlenmesini öğrenir. 7. Doğrusal sistemlerin kararlılık koşullarının araştırılması, bu konuda temel basit bir kararlılık ölçütü olan Routh-Hurtwitz ölçütünün uygulanmasını öğrenir. 8. Sistemlerin frekans alanı cevabının kavranmasını, 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. 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

2 Ödev ve Projeler Laboratuvar Deneyleri Bilgisayar Kullanımı Diğer Uygulamalar 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 Ödevler Projeler Diğer DERSİN BAŞARI ÖLÇÜM ve DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ Çalışmalar Ara Sınavlar Kısa Sınavlar Laboratuar Derse Devam Yarıyıl Sonu Sınavına Girebilmek İçin Asgari Şartlar Sayı % 70 Başarı Notuna Toplam Katkısı(%) % 23 % 15 % 12 Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % 50 Yarıyıl Ders Planı Hafta I: Kontrol dersinin içeriğinin tanıtılması. Bu derste kullanılacak kaynakların ve araçların tanıtılması, örneklerle otomatik kontrol konularının açıklanması. Hafta II: Laplace dönüşümlerinin tanımı, anlamı ve kullanım yeri. Bazı standart giriş fonksiyonları ve bunların Laplace dönüşümleri Hafta III: Ters Laplace dönüşümleri, tanımı ve temel bağıntıları ve Fiziksel sistemlerin matematiksel modelleri ve sistem dinamiği. Hafta IV: Transfer fonksiyonun tanımı ve temel özellikleri ve Blok şemaları, indirgenmesi Hafta V: Kapalı döngü bir blok şemanın indirgenmesi, Mekaniksel sistemler (m, k, ve B sistemi) temel denklemlerinin çıkarılması, TF ve dinamik davranış parametrelerini belirlenmesi. Hafta VI: Isıl sistemler ve ilgili temel dinamik yasalar. Isıl sistemlerin transfer fonksiyonlarının çıkarılması, Elektromekanik sistemler: DA motorları, solenoidler Hafta VII: Zaman sabiti veya birinci dereceden gecikme elemanı, basamak cevabı, dinamik davranışı, ve dinamik davranışı ile ilgili parametrelerin tanımı, Geçici durum davranışı özellikleri ile ilgili tanımlar Hafta VIII: Denetim sistemlerin kalıcı durum davranışı ve hatası Hafta IX: Genel Tekrar Hafta X: Yıliçi Sınavı Hafta XI: Doğrusal geribeslemeli sistemlerin kararlılığı. Routh-Hurtwitz ölçütünün denetim sistemlerine uygulanması Hafta XII: Temel denetim etkileri ve endüstriyel denetim organları Hafta XIII: Frekans cevabı yöntemleri Hafta XIV: Faz payı ve kazanç geçiş frekansı, tanımı ve özellikleri. Örnek uygulamalar. MAK3002 Otomatik Kontrol Haftalık Ders Konuları DağılımıHaftaKonular 1. Hafta09-13Şubat Ders: Dersin tanıtımı, içeriği ve yararlanılacak kaynaklar. 2. Ders: Denetim sistemleri ile ilgili temel kavramlar 3. Ders: Denetim sistemlerinin yapısı ve kullanım alanı 4. Ders: Otomatik kontrol ile ilgili örnek uygulamalar. 2. Hafta16-20Şubat Ders: Laplace dönüşümleri ve özellikleri2. Ders: Bazı standart giriş fonksiyonları ve bunların Laplace dönüşümleri3. Ders: Ters Laplace dönüşümleri.4. Ders: Laplace dönüşümleri ile ilgili örnek uygulamalar. 3. Hafta23-27Şubat Ders :Matematiksel model ve sistem dinamiğine giriş.2. Ders :Transfer fonksiyonun tanımı ve özellikleri.3. Ders: Standart TF ve dinamik davranış parametreleri4. Ders: Blok şemaları ve temel elemanlar ı4. Hafta02-06Mart Ders : Blok şemaların indirgenmesi.2. Ders : Çok girişli blok şema indirgemesi. (Bozucu girişten doğan TF ve özellikleri) 3. Ders: Mekaniksel sistemlerin transfer fonksiyonları4. Ders: Elektriksel sistemlerin transfer fonksiyonları.5. Hafta09-13Mart Ders : Akışkan sistemlerin transfer fonksiyonları2. Ders :Etkileşimli sıvı seviye sistemlerinin transfer fonksiyonları3. Ders: Isıl sistemlerin transfer fonksiyonları.4. Ders: Çok uçlu elemanların transfer fonksiyonları (Dişli kutusu ve transformatörler) 6. Hafta16-20Mart Ders :Bileşik sistemler: Eyleyiciler (Elektromekanik sistemler: DC motorları)2. Ders : Elektromekanik sistemler: DC solenoidler, (öteleme hareketi)3. Ders: Akışkan Eyleyiciler: Valf silindir sistemlerinin transfer fonksiyonları.4. Ders: Geribeslemeli valf silindir sistemleri..7. Hafta23-27Mart Ders : Sistemlerin geçici durum davranışı ve temel özellikleri.2. Ders : Geçici durum davranışı ile ilgili parametrelerin incelenmesi3. Ders: Kalıcı durum davranışı ve kalıcı durum hatası.4. Ders: Geçici ve kalıcı durum hatası uygulamaları

3 8. Hafta30-03Nisan2009Ara Sınav 9. Hafta06-10Nisan Ders : Kararlılık ve Routh Ölçütü2. Ders : Geribeslemeli sistemlerde kararlık uygulaması3. Ders: Doğrusal geribeslemeli sistemlerin kararlılığı.4. Ders: Routh-Hurwitz kararlılık ölçütü ve geribeslemeli sistemleri uygulanması. 10. Hafta13-17Nisan Ders : Endüstriyel denetim organları ve temel denetim etkileri.2. Ders : Temel denetim etkileri, özellikleri ve matematiksel bağıntıları 3. Ders: PID denetimi ve temel özellikleri.4. Ders: PID ayarı 11. Hafta13-17Nisan Ders : PID ayarı ile ilgili uygulamalar, Matlab2. Ders : : PID ayarı ile ilgili uygulamalar, Matlab3. Ders: Denetim organının deneysel ayarı.4. Ders: Denetim organı ayarı ile ilgili örnek problemler. 12. Hafta20-24Nisan Ders : Frekans alanı cevabı.2. Ders : Frekans alanı cevabı yöntemlerinin özellikleri. 3. Ders: Logaritmik veya Bode eğrileri.4. Ders: Kutupsal eğriler veya Nyquist eğrileri. 13. Hafta27-01Mayıs Ders : Nyquist Kararlılık ölçütü.2. Ders : Bağıl kararlılık: Faz ve kazanç payları. 3. Ders: Nyquist kararlılık ölçütünün logaritmik üzerinde uygulaması.4. Ders: Nyquist kararlılık ölçütünün Bode eğrileri üzerinde uygulaması. 14. Hafta04-08Mayıs Ders : Frekans cevabı yöntemleri ile ilgili örnek uygulamalar.2. Ders : Konuların genel tekrarı ve örnekler uygulamalar. 3. Ders: Kısa Sınav.4. Ders: Mazeret Sınavı 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. GERIBESLEME ELEMANI (Feedback Element): Denetlenen çıkış sinyali ile geribesleme sinyali arasında işlevsel bağıntı kuran elemandır. Geribesleme elemanları özellikle denetlenen değişken ile başvuru giriş sinyalinin farklı fiziksel yapıda olduğu durumlarda bir dönüştürgeçten (transducer) ibarettir. Geribesleme elemanı denetlenen değişkenin ölçülen değerini sağlar. Genellikle geribesleme elemanı bir ölçü elemanı biçimindedir. 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 Kimyasal ve imalat işlemleri Matematik Termodinamik Güç sistemler Akışkan Mekaniği Fizik bilimleri SİSTEM DİNAMİĞİ Bilgi ve iletişim işlemleri Mekanik Yaşam bilimleri Biyolojik ve tipi araştırmalar Titreşim Elektronik Sosyal bilimler Nakliye ve çevre denetimi Ekonomi ve endüstriyel sistemler Giriş ve çıkışları ile bir dinamik sistem Otomatik Kontrol Hidrolik Yapı dinamiği Bilgisayar sistemleri Akustik

4 DENETİM SİSTEMİ KAPALI DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ GİRİŞ Arzu Edilen Giriş Başvuru Girişi DENETLEYEN Denetim Organı Açık Döngü Motor Eleman Actuator (Eyleyici) Denetim Sistemi DENETLENEN Denetlenen Sistem Kapalı Döngü ÇIKIŞ Denetlenen Değişken GİRİŞ DENETLEYEN Denetim Organı Karşılaştırıcı Motor Eleman Actuator (Eyleyici) Geribesleme Elemanı Sensor(Algılayıcı) DENETLENEN Denetlenen Sistem DENETİM SİSTEMİ ÇIKIŞ DENETİM SİSTEMİ BLOK (İŞLEVSEL) ŞEMASI DENETLEYEN Karşılaştırıcı Denetim Hata veya Düzeltme İşareti veya Sapma İşareti Bilgisi GİRİŞ Motor Denetim Eleman Organı veya r(t) + e(t) m(t) Actuator Algoritması a(t) _ (Eyleyici) Geribesleme İşareti b(t) Geribesleme Elemanı (Ölçme Elemanı veya Algılayıcı) Bozucu Giriş Denetlenen Sistem ÇIKIŞ c(t) 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:

5 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) 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

6 Sıcaklık Ölçer Buhar Elle Denetim valfı Sıcak Su Sıcaklık Ölçer Elle ve Otomatik Sıcaklık Denetim Sistemi Karşılaştırması Sıcaklık Duyar Sıcak Su Soğuk Su Buhar Denetim Organı Eleman Sıcak Su Elle Denetim valfı Otomatik Denetim Valfi Soğuk Su Soğuk Su TERMOSTAT (SICAKLIK AYARLAYICI) TİPİ SICAKLIK DENETLEYİCİSİ VE ALGILAYICISI OTOMATİK KONTROLÜN TARİHSEL GELİŞİMİ Geribeslemeli kontrolün ilk örneği M.Ö periyodunda Yunanistan da şamandıra düzenleyici mekanizmasının gelişimiyle görüldü. Metal çifti sıcaklık algılayıcısı

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

8 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHİ 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,

9

10