ELN3102 OTOMATİK KONTROL BAHAR

Transkript

1 ELN3102 OTOMATİK KONTROL BAHAR Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Dr. Ekrem DÜVEN /Dr. Metin HATUN Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Dr. Ekrem DÜVEN Dr. Metin HATUN

2 Dersin Adı Dersin Kodu Dersin Yarıyılı Dersin Kredisi Ders 3 Uygulama 0 Otomatik Kontrol ELN Laboratuar (Saat/Hafta) Dersin Dili Dersin Türü Türkçe Zorunlu 0 Dersin Ön Koşulu Yok Dersin Koordinatörleri Dersin İçeriği Dersin Amacı Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yardımcılar: Dr. Ekrem Düven ve 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 Endüstride yer alan otomasyonlu makine sistemlerinin otomatik kontrol yönünden çalışmasının ve işlevlerinin anlaşılmasını sağlayan bilgi ve beceriyi matematiksel bağıntılarla birlikte kazandırmak. Aynı zamanda sistemler için gerekli denetim tasarımını gerçeklenmesini sağlamaktır. Uludağ Üniversitesi

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 Uludağ Üniversitesi

4 Ders Kitabı (Ders Notu) Yararlanılacak Diğer Kaynaklar Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Otomatik Kontrol, Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, 7. Baskı, Nobel Otomatik Kontrol Sistemleri, Benjamin C. KUO, Çeviren: Prof. Dr. Atilla BİR, 2. Otomatik Kontrol Problemleri, Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri-Çözümlü Problemler, İbrahim YÜKSEL, Mesut ŞENGİRGİN, Gürsel ŞEFKAT, 2. Baskı, Dora MATLAB ile Mühendislik Sistemlerinin Analizi ve Çözümü, İbrahim YÜKSEL, Genişletilmiş 3. Baskı, Nobel Modern Control System, R. C. Dorf & R.H. Bishop, 10.Baskı, 2005, 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 Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Yrd. Doç. Dr. Elif Erzan TOPÇU/ Yrd. Doç..Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

5 Ödev ve Projeler Laboratuvar Deneyleri Bilgisayar Kullanımı Bir 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 Uludağ Üniversitesi

6 DERSİN BAŞARI ÖLÇÜM ve DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ Çalışmalar Yarıyıl Sonu Sınavına Girebilmek İçin Asgari Şartlar Sayı Başarı Notuna Toplam Katkısı(%) Ara Sınavlar 1 % 20 Kısa Sınavlar 2 % 20 Ödevler 1 % 10 Projeler Laboratuar Diğer Derse Devam % 70 Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % 50 Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Yrd. Doç. Dr. Elif Erzan TOPÇU/ Yrd. Doç.Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

7 1. Hafta Şubat Hafta Şubat Hafta 28 Şubat-01 Mart Hafta Mart Hafta Mart Hafta Mart Hafta Nisan Ders: Dersin tanıtımı, içeriği ve yararlanılacak kaynaklar. 2. Ders: Denetim sistemleri ile ilgili temel kavramlar 3. Ders: Denetim sistemlerinin yapısı, kullanım alanı ve örnekler 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 tanıtımı 1. Ders : Standart TF ve dinamik davranış parametreleri 2. Ders : Blok şemalar, temel elemanları ve indirgenmesi 3. Ders: Çok girişli blok şema indirgemesi. (Bozucu girişten doğan TF ve özellikleri) 1. Ders : Blok şemalar yoluyla TF elde edilmesi ve örnekler 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 Ders : Kararlılık ve Routh Ölçütü 2. Ders : Geribeslemeli sistemlerde kararlık uygulaması 3. Ders: Uygulama örnekleri. 9. Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Nisan Hafta Mayıs Hafta Mayıs 2012 Ara Sınav 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. 14. Hafta Mayıs Ders : Kök yer eğrileri ile denetleyici tasarımı 2. Ders :Değişik denetleyici tasarımları 3. Ders: Genel Tekrar.

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. Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Yrd. Doç. Dr. Elif Erzan TOPÇU/ Yrd. Doç..Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

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

11 Basit Sistem Örnekleri

12

13

14 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 Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Öğr. Gör. Dr. Elif Erzan TOPÇU/Öğr.Gör.Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

15 KAPALI DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ DENETİM SİSTEMİ GİRİŞ DENETLEYEN Denetim Organı Motor Eleman Actuator (Eyleyici) DENETLENEN Denetlenen Sistem ÇIKIŞ Karşılaştırıcı Geribesleme Elemanı Sensor(Algılayıcı) Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Öğr. Gör. Dr. Elif Erzan TOPÇU/Öğr.Gör.Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

16 KAPALI DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ

17 DENETİM SİSTEMİ BLOK (İŞLEVSEL) ŞEMASI Karşılaştırıcı DENETLEYEN Denetim Hata veya Düzeltme İşareti veya Sapma İşareti Bilgisi GİRİŞ Motor Denetim Eleman Organı veya r(t) + e(t) Actuator Algoritması m(t) a(t) _ (Eyleyici) Bozucu Giriş Denetlenen Sistem ÇIKIŞ c(t) Geribesleme İşareti b(t) Geribesleme Elemanı (Ölçme Elemanı veya Algılayıcı) Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd. Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT/Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN Öğr. Gör. Dr. Elif Erzan TOPÇU/Öğr.Gör.Dr. Zeliha K. KOCABIÇAK

18

19 Denetim Sistemi Elemanları ve Değişkenlerini Belirleme Soruları 1. Başvuru veya ayar değeri, istenen değer? 2. Denetlenen değişken veya ölçülen değer? 3. Karşılaştırma Elemanı? 4. Hata Sinyali? 5. Denetleyici veya Denetim Birimi?? 6. Düzeltme Birimi veya Eyleyici (Acuator)? 7. Denetlenen Süreç (işlem) veya Sistem? 8. Geribesleme Elemanı (ölçme elemanı-algılayıcı-duyarga)? 9. Denetim türü veya konusu?

20

21 DENETİM SİSTEMLERİNİN TASARIM İLKELERİ veya Denetim Sisteminden İstenen Asgari Koşullar i) En az veya sıfır hata: (Kalıcı-durum doğruluğu veya müsaade edilebilinir hata): Denetim sisteminde giriş ve çıkış arasındaki farkın yani hatanın sıfır veya önemsenmeyen değerlerde tutulması istenir. ii) Hızlı cevap: Bir denetim sisteminin kendisine uygulanan uyarılara en kısa zamanda cevap vermesi istenir. iii) Kararlı çalışma: Bir denetim sistemi (veya herhangi bir mühendislik sistemi) her şeyden önce kararlı olacak şekilde tasarlanmalıdır. Denetim sisteminin kararlılığı denilince sistemin sınırlı bir giriş değerine karşılık sınırlı bir çıkış değeri vermesi anlaşılır. Kalıcı durum hatasının azaltmak ve cevap hızını artırmak için denetleyici kazancını artırmak gerekir. Diğer taraftan kazanç artışı sistemin kararlılığını kötüleştirir ve hatta sistemi tamamen karasız duruma sokabilir. Sonuç olarak denetim sistemin en az hata, mümkün olduğunca kısa zamanda cevap verecek ve mutlaka kararlı çalışacak şekilde tasarlanması gerekir. Denetim sistemlerinin tasarımında bu iki temel özellik arasında uygun bir uzlaşma sağlanmaya çalışılır.

22 DENETİM SİSTEMİNİN (veya Otomasyon Sisteminin) KULLANIM AMAÇLARI Enerji tasarrufu sağlamak Ürün veya hizmet kalitesini artırmak Ürün maliyetini azaltmak

23 Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Öğr.Gör.Dr. Gürsel ŞEFKAT Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

24 Denetim Sistemi Elemanları ve Değişkenlerini Belirleme Soruları 1. Başvuru veya ayar değeri, istenen değer? 2. Denetlenen değişken veya ölçülen değer? 3. Karşılaştırma Elemanı? 4. Hata Sinyali? 5. Denetleyici veya Denetim Birimi? 6. Düzeltme Birimi veya Eyleyici (Acuator)? 7. Denetlenen Süreç (işlem) veya Sistem? 8. Geribesleme Elemanı (ölçme elemanı-algılayıcı-duyarga)? 9. Denetim türü veya konusu? 1. İstenen seviye 2. Gözlenen veya ölçülen seviye 3. İnsan, insanın beyni 4. İstenen ve ölçülen seviyeler arasındaki fark 5. İnsan (elle denetim) 6. Valf ve insanın kas gücü 7. Tanktaki seviye 8. İnsanın gözleri 9. Sıvı seviye denetimi

25

26 Uludağ Üniversitesi

27 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHSEL GELİŞİMİ Geribeslemeli kontrolün ilk örneği M.Ö periyodunda Yunanistan da şamandıra düzenleyici mekanizmasının gelişimiyle görüldü. Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Öğr.Gör.Dr. Gürsel ŞEFKAT Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

28

29 TERMOSTAT (SICAKLIK AYARLAYICI) TİPİ SICAKLIK DENETLEYİCİSİ VE ALGILAYICISI Metal çifti sıcaklık algılayıcısı Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Öğr.Gör.Dr. Gürsel ŞEFKAT Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

30

31

32

33

34

35 Çamaşır Makinesi

37

38

39

40 Elle ve Otomatik Sıcaklık Denetim Sistemi Karşılaştırması Uludağ Üniversitesi

42

44 Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Yrd.Doç. Dr. Gürsel ŞEFKAT Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

45 OTOMATİK KONTROLÜN TARİHİ 1769 James Watt ın buhar makinesi ve deneticisini geliştirmesi 1800 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 1913 Henry Ford un, otomobil üretimi için özel amaçlı makine mekanizmalarına giriş 1932 H. Nyquist tarafından geliştirilen sistemlerin kararlılığı için bir analiz metodu İmalat makineleri için MIT tarafından geliştirilen Nümerik Kontrol(NC) 1954 George Devol tarafından geliştirilen ilk endüstriyel robot tasarımı olarak ele alınabilecek, programlanmış yazı transferi 1960 Devol ün tasarımına dayanan ilk unimate robota giriş de döküm makinelerinde unimate kuruldu 1970 Durum değişkenli modeller ve optimum kontrolün gelişimi 1980 Gürbüz (Robuts) kontrol sistem tasarımı yaygın kullanımı 1990 Otomasyon şirketleri 1994 Geribeslemeli kontrolün otomobillerde yaygın kullanımı 1997 Mars yüzeyinin keşfi için, Sojourner olarak bilinen ilk gezegenler arası araçlar, Uludağ Üniversitesi Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL Öğr.Gör.Dr. Gürsel ŞEFKAT Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

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