OTOMATİK KONTROL'A GİRİŞ*

OTOMATİK KONTROL'A GİRİŞ* 1.1 GENEL BİLGİLER Otomatik denetim sistemleri veya kısaca denetim sistemleri günümüzde ileri toplumların günlük yaşantısına girmiş ve hemen hemen her alanda kullanılmaktadır. Evlerde kullanılan, otomatik çamaşır makinesi, otomatik bulaşık makinesi, termostatlı fırınlar veya diğer bir deyişle akıllı fırınlar, ütüler, endüstriyel ve araştırma alanında kullanılan robotlar, mikroişlemciler, bilgisayarlar, uzay taşıtları v.b. denetim sistemleri üretimi ve üretim kalitesini sürekli olarak arttırmakta olup yaşam biçimimize etki etmektedirler. Denetim sistemleri herhangi bir endüstri toplumunun tamamlayıcı bir parçası olup artan dünya nüfusunun ihtiyaç malzemelerini üretmek için gereklidirler. Teknolojik gelişmeler insanın aya seyahatini ve bizim dışımızdaki uzayı keşfetmesine olanak tanımıştır. Uzay taşıtlarının, uzay mekiğinin, uzay istasyonlarının ve uçuş denetim sistemlerinin başarılı bir şekilde çalışması bu tür riskli işlerde çok sayıda kullanılan denetim sistemlerinin işlevlerini uygun bir şekilde yapmasına bağlıdır. Sistemlerin denetimi bilimler arası bir konudur ve tüm mühendislik alanlarına girer. Bu nedenle denetim sistemleri farklı üretimler yapan değişik türde işlemlerde çalışan veya çalışacak olan makine, elektronik, elektrik, tekstil, kimya, uçak, nükleer v.b. mühendisleri çok yakından ilgilendirmektedir. Denetim organları donanımlarında kullanılan teknikler ve bunların tasarımı daha çok doğrudan doğruya elektrik, elektronik ve makine mühendisliğini ilgilendirmektedir. Denetim organlarının sistemlerde kullanımı ve değerlendirilmesi ise tüm mühendislik dallarını doğrudan ilgilendirir. Çok yönlü otomatik denetim konusu bugün en ümit verici alanlardan birisi olarak sayılmakta ve sınırsız büyüyen bir potansiyel olarak ortaya çıkmaktadır. Denetim döngüsü içinde bilgisayarların kullanımı bu konuyu daha da geniş kapsamlı hale getirmiştir. Denetim sistemleri kısaca enerji, malzeme veya diğer kaynakların akışını düzenleyen aygıtlar olarak tanımlanır. Bunların düzenlenmesi, karmaşıklığı ve görünüşü kullanım amaçları ve işlevlerine göre değişir. Denetim sistemleri denetlenen niceliklerin değerlerini sabit tutar veya bu değerlerin, önceden belirlenmiş biçimde değişimini sağlar. Sistemi oluşturan işlemler elektrikli ya da mekanik kumanda donanımlarıyla, akışkan (sıvı ya da gaz) basıncıyla ya da bu benzeri araçların bileşik etkisiyle gerçekleştirilir. Denetim devresinin herhangi bir bölümünde bilgisayarlardan yararlanıldığında, tüm denetim organları donanımını elektrikle çalıştırmak daha uygun olmakta ve ayrıca karma sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 1

1.2 DENETİM SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Çok eski çağlardan beri insanoğlunun çok basit de olsa "kendi kendine çalışma sistemine" göre çalışan "otomatik makineler" yaptığı bilinmekteydi. Bu aletler daha çok hayvan taklitleri yapan oyuncak biçimi aygıtlar (M.Ö. 430 yılında Taretumlu Archytas'ın yaptığı otomatik güvercin) veya zamanı ölçmeye (İskenderiyeli Ktesibios (Heron) M.Ö. 285-247 de yaptığı su saati) ve su kemerlerindeki su düzeyini sabit tutmaya çalışan sistemlerdi. Bizde ise 1205'lerde yaşamış olan Cizreli Eb-ül-iz adında bir Türk bilgininin Diyarbakır'da otomatik makinalar yaptığı bilinmektedir. Batı Dünyasında "al cazari" olarakta bilinen Cizreli Eb-ül-iz İbni İsmail İbni Razzaz'ın su saatleri, müzik otomatlar ve kuyu yada akarsulardan su çıkaran tulumlar üzerinde tasarımlar yaptığı ve bunların imalatını gerçekleştirdiği ileri sürülmektedir. Bütün bu örneklerde; makinenin, işlemden elde edilen bilgileri uyarınca çalıştırılması temeline dayalı geribesleme ilkesi kullanılmıştır. Sanayi Devrimi'nin başlangıç yıllarında bulunan geribeslemeli sistemler olarak Hollandalı C. Drebeelin (1572-1633) sıcaklık düzenleyicisi, Fransız D. Papin'in (1647-1712) buhar kazanları için bulduğu basınç düzenleyicisi gibi örnekler sayılabilir. Endüstriyel alanda kullanılan ilk geribeslemeli denetim organı ise James Watt'ın 1769'da geliştirdiği toplu hız düzenleyicisidir (regülatör). Bu aygıt buhar makinesine buhar akışını ayarlayarak, yük değişimlerine rağmen buhar makinesinin sabit bir hızla çalışmasını sağlıyordu. Tamamen mekanik olan bu aygıt çıkış milinin hızını mekanik olarak ölçer ve bu hıza bağlı hareket eden metal küreciklerin hareketinden yararlanarak buhar valfinin açılıp kapanmasını ve dolayısıyla makineye giren buhar miktarını denetler. Makinenin hızı artınca merkezkaç kuvvetin etkisi ile metal kürecikler yukarı kalkmaya çalışır ve buna bağlı olarakta çubuk-manivela mekanizması valfi kapamaya çalışır. Aksi bir durumda kürecikler aşağıya doğru hareket ederek valf açmaya çalışır. Metal kürecikler; hız ölçümü ve valfın hareketi için gerekli gücü makineden çektiklerinden hız ölçümünü tam doğrulukta sağlayamazlar. Kürecikli hız düzenleyici hız denetim uygulamalarında bugün halen kullanılmaktadır. Yalnız burada tamamen mekaniksel sistemler yerine valf hareketinde yüksek kuvvetler sağlayan hidrolik servomotorlar yeralır. Endüstriyel alanda kullanılan diğer bir uygulama ise 1801'de Fransız Joseph Jacquard'ın geliştirdiği dokuma tezgahı olup açık döngü (ileribesleme) denetimin ilk örneğini içeriyordu. Bu tezgahta, delikli kartlardan oluşan bir deste dokumanın desenlerini programlıyor, tezgahın Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 2

işlemlerinin kumanda edilmesinde sürece ilişkin herhangi bir bilgi kullanılmıyordu. Benzeri açık döngü denetim düzeneklerinden 19. yüzyılda geliştirilen ve kesici takımların belirli bir örnek (şablon) uyarınca çalışması esasına dayalı olan birçok takım tezgahında yararlanılmıştır. Bir denetim sistemine ilişkin ilk kuramsal çözümleme, 19. yüzyılda Watt regülatörünün bir diferansiyel denklem modelini geliştiren İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell gerçekleştirdi. Maxwell'in yayımladığı bu çalışması kısa sürede genelleştirildi ve birçok başka bilim adamlarının (Minorsky, Nyquist, Hazen v.b.) da katkısıyla denetim kuramı geliştirildi. Özellikle 1922'de Minorsky'nin otomatik dümen sistemine ilişkin çalışması, bu doğrultudaki çalışmalara hız kazandırdı. 1930'larda uzun mesafe telefon kuvvetlendiricilerindeki (amplifikatör) elektrikli geribesleme düzeneklerinde önemli gelişmeler oldu. Benzer bir gelişmede, az miktarda bir güçle çok büyük ölçekli güçlerin denetlenmesini ve bunlara otomatik olarak kumanda edilmesini sağlayan servomekanizmaların genel kuramı alanında görüldü. Bunu, kimya ve petrol sanayilerindeki otomatik sistemlerin önemli ölçüde geliştirilmelerini olanaklı kılan pnömatik (havalı) denetim organlarının ve benzeşik (analog) bilgisayarların keşfi izledi. Tüm bu ilerlemeler, kapsamlı bir denetim sistemi kuramının oluşturulmasına ve II. Dünya Savaşı sırasında uçaksavar bataryaları ve atış denetim sistemleri gibi çeşitli uygulamalara temel sağladı. Klasik denetim kuramının özünü teşkil eden frekans cevabı yöntemi 1940'lı yıllarda ve kökyer eğrileri yöntemi 1950'li yıllarda gelişmelerini tamamlamış olup doğrusal geribeslemeli sistemlerin tasarımında ve kararlılık çözümlemelerinde yaygın olarak kullanılagelmişlerdir. Bu tarihlere kadar yapılan kuramsal çalışmaların ve uygulamaların çoğu tek döngülüydü, yani bu sistemler yalnızca tek bir noktadan geribesleme ve kumanda özelliğine sahipti. 1950'li yılların sonlarına doğru denetim sistemlerinin tasarımında sayısal bilgisayarlar kullanılmaya ve kendileri de bir denetim organı olarak uygulanmaya başlandı. Böylece çok döngülü sistemlerin sunduğu olasılıklar incelenmeye başladı. Bu sistemlerde geribeslemenin, belirli bir sürecin birden çok noktasından başlatılabileceği ve gerekli ayarların birkaç noktadan yapılabileceği düşüncesi ortaya atıldı. Benzeşik ve sayısal bilgisayarların geliştirilmesi, çok daha karmaşık otomatik denetim sistemlerinin kurulmasına yol açtı, bu doğrultuda oluşturulan kuramlar eski "klasik denetim" den ayırt edilebilmeleri amacıyla "modern denetim" olarak adlandırıldı. Modern denetim kuramı "durum-uzayı" yaklaşımına dayanır ve 1960'larda yapılan tüm kuramsal gelişmelerde bu yaklaşım kullanılmıştır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 3

Bu alanda yapılan en önemli uygulamalar uzay programlarıdır. 1970'lerin başında, durumuzayı yaklaşımına dayanan modern denetim kuramının frekans cevabı ve Laplace dönüşümüne dayanan, klasik denetim kuramının tamamen yerini alamayacağı gerçeğine varıldı. Bu açıdan bugün çağdaş bir denetim mühendisi her iki yaklaşımın bilgilerine sahip olmak zorundadır. Son yıllarda denetim sistemlerinde kullanılan donanım açısından; ilk önce büyük ölçekli makineler, daha sonra minibilgisayarlar ve nihayet mikrobilgisayarlar olarak sayısal bilgisayarların çok yaygın olarak faydalandığı gözlenmiştir. 1980'ler ve daha sonraki yıllarda, mikrobilgisayarlar denetim organları olarak diğer aygıtların yerini almaya devam edecektir. Buna rağmen yine de basitliği, güvenirliliği ve kuvvet ihtiyaçları nedenleri ile işlemsel kuvvetlendiricilere, pnömatik ve hidrolik denetim organlarına daima ihtiyaç olacaktır. Yakıt ekonomisi için gerekli talepler diğer türden güç sistemlerinde olduğu kadar uçak ve otomobil motorları için iyileştirilmiş denetim sistemleri gerektirecektir. Bugün otomobillerde mikroişlemcilerin de kullanıldığı, iyi bir yakıt tüketimi sağlayan ve dolayısıyla kirliliği de azaltan ve aynı zamanda emniyetli seyir imkânları sağlayan denetim sistemi uygulamalarına geçilmektedir. Gelecekte, uzay programlarında, insanın uzaya gönderimi pahalı olduğunda, otomatik denetim sistemlerinin önemli miktarlarda uygulanacağını bekleyebiliriz. Endüstriyel durumlarda olduğu kadar uzay alanında robotların kullanımı daha yaygın hale gelecektir. Robotikler riskli ve can sıkıcı işlerde daha yaygın olarak kullanılır hale gelecektir. Karada, denizde ve havada yapılan ulaşım yolcuların emniyeti ve konforu için çok iyi çalışan denetim sistemleri gerektirecektir. 1.3 TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAR Denetim sistemleri ile ilgili konulara ayrıntılı bir şekilde geçmeden önce, konunun iyi bir şekilde anlaşılması açısından bazı önemli ifadelerin tanımlarını yapmak yerinde olacaktır. Bir denetim sistemi bir takım elemanların karşılıklı şekilde birbirine bağlanmasından meydana gelmiştir. Bu sistem elemanları birbirlerine giriş ve çıkışlar yoluyla bağlanmıştır. Sistem elemanlarının işlevleri, bireysel giriş ve çıkışları ve sistem elemanları arasındaki bilgi akışı işlevsel blok şemaları ile gösterilir. Bu şemalar sistem elemanlarının etki ve neden-sonuç ilişkilerine göre sıralanmalarını, sistemin yapısının incelenmesini sağlar. İşlevsel bloklar bir kara kutu elemanı olarak ele alınır ve bir sistem elemanını temsil eden bir kara-kutunun Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 4

davranışı giriş çıkış bağıntısı ile belirlenir. Burada giriş neden, çıkışta girişin neden olduğu bir sonuçtur. Bu nedenle giriş-çıkış bağıntısı elemanın neden-sonuç davranışı olarak ifade edilir. Örneğin bir elektrik direncine bir gerilim uygulandığında bu nedenin sonucu olarak dirençte bir akım oluşur. İşlevsel şemadaki elemanların işlevlerini matematiksel ifadelerle gösteren şemalara ise blok şema denir ve bu konu ayrıca ileride ayrıntılı olarak incelenecektir. Şekil 1.1 Temel tanımları gösteren genelleştirilmiş geribeslemeli sistem blok şeması Yapılan tanımlara esas teşkil etmek üzere, Şekil 1.2'de genelleştirilmiş kapalı-döngü bir sistemin işlevsel blok şeması verilmiştir. Burada verilen tanımların bir kısmı blok şema üzerinde gösterilen eleman ve işaretlerin işlevlerin tanımı, bir kısmı da konu ile ilgili genel ifadelerin tanımları olacaktır. 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 Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 5

aygıt donanımlarının (Instrumentation) otomatik çalışmasını ifade eder. Denetim sistemleri, denetlenen niceliklerin değerlerini sabit tutar ya da bu değerleri, önceden belirlenmiş biçimde değişmesini sağlar. Şekil 1.2 Açık-döngü denetim sistemi Şekil 1.3 Kapalı-döngü denetim sistemi OTOMATİK DENETİM (Automatic Control): Bir sistemde denetim faaliyetlerinin insan girişimi olmaksızın önceden belirlenen bir amaca göre denetimi ve yönlendirilmesidir. Genel anlamda otomatik denetim, doğrudan insan girişimi olmaksızın çalışan aygıtların, makinelerin ve sistemlerin çalışması ve gelişmesi ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Uygulamada denetim veya denetim sistemi denilince daha çok otomatik denetim anlaşılır. Günümüzde insan girişimi ile yapılan denetim hemen hemen yok sayılır veya denetim sistemi tanımına girmez. TESİSAT VEYA DENETLENEN SİSTEM (Plant): Amacı özel bir işlemi yerine getirmek olan birlikte çalışan makine parçaları takımı veya bir cihaz, tesisat adını alır. Bu kitapta ısıtma fırını, kimyasal reaktör, uzay taşıtı, damıtma tesisleri gibi denetlenmesi gerekli fiziksel nesneler tesisat veya kısaca sistem adını alacaktır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 6

GİRİŞ (Input): Denetim sisteminden belli bir cevap almak üzere bir dış enerji kaynağından sisteme uygulanan uyarıdır. ÇIKIŞ (Output): Denetim sisteminden sağlanan gerçek cevaptır. Çıkış, girişin öngördüğü cevaba eşit olur veya olmayabilir. Bir sistemin denetim amacını giriş ve çıkışlarını türü belirler. Örneğin bir sıcaklık denetim sisteminde giriş arzu edilen sıcaklık çıkış ise sistemde gerçeklenen ve ölçülen sıcaklıktır. AYAR NOKTASI VE AYAR DEĞERİ (Set Point and Set Value): Denetim sistemlerinde sabit bir kumanda değerinin ayarlandığı nokta ve ayarlanan değer. Örneğin sıcaklık denetim sistemlerinde arzu edilen sıcaklığın ayarlandığı nokta bir ayar noktası ve ayarlanan sıcaklık ayar değeridir. Diğer tanımları Şekil 1.2 de verilen şemadan izleyebiliriz. KUMANDA GİRİŞİ VEYA ARZU EDİLEN GİRİŞ (Comand Input or Desired Input);\(t): Sisteme uygulanan sevkedici giriş olup sistemin çıkışından bağımsızdır. BAŞVURU GİRİŞ ELEMANI (Reference Input Element): Başvuru giriş değerini saptayan birimdir. Başvuru giriş elemanı sistem çıkışının arzu edilen birimleri cinsinden kalibre (ayar) edilir. BAŞVURU GİRİŞİ (Reference Input); r(t): Denetlenen sistemin belirlenen bir eylemini kumanda etmek üzere denetim sistemine uygulanan giriş sinyalidir. Başvuru giriş elemanının sağladığı bu sinyal sistem tarafından doğrudan doğruya kullanılabilir biçimde bir kumanda olarak ifade edilir. Denetim sistemi için gerçek sinyal girişi olup çoğunlukla ideal sistemin çıkış davranışını temsil eder. KARŞILAŞTIRICI VEYA HATA SEÇİCİ (Comparator or Error Detector): Başvuru giriş sinyali ile geribesleme sinyalini karşılaştırıp mukayese eden ve bu iki sinyal arasındaki farka eşit bir hata sinyali üreten elemandır. Karşılaştırıcı aynı boyut ve birimlerdeki sinyalleri karşılaştırarak onların cebirsel toplamlarını alır. HATA VE SAPMA (Error and Deviation); e(t): Çıkışın herhangi bir anda, arzu edilen değere göre farkına hata denir. Hata sinyali başvuru girişi ile geribesleme sinyali arasındaki farka eşittir. Karşılaştırma elemanı, çıkışın arzu edilen değerle karşılaştırarak hata değişimlerini belirler. Hata sinyali, sistemin çıkışından arzu edilen değeri sağlamak üzere denetim organını hareket ettirir. Denetim organı bu değişimlerini giriş olarak alır ve kendi yapısına da bağlı olarak son denetim organı (mot. El.) için uygun bir denetim sinyali üretir. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 7

Sapma; denetlenen değişkenlerin belirli değerler etrafında değişimleri sapma olarak ifade edilir. Genel anlamda bir hata sinyali olup özellikle ayar değerine göre çalışan süreç denetim sistemlerinde denetlenen değişkenin sabit bir ayar değerinden ayrılması sapma (deviation) olarak ifade edilir. DENETİM ORGANI (Controller or Control Element): Denetlenen sisteme uygulanacak uygun bir denetim sinyali sağlayan elemandır. SON DENETİM ELEMANI VEYA MOTOR ELEMAN (Actuator or Motor Element): Denetim organından alınan sinyale göre belli bir fiziksel yapıda güç sağlayan elemandır. Bu eleman denetlenen sistemde meydana gelen hatayı veya sapmayı düzeltmek için gerekli hareketi sağlayan bir elemandır. DENETİM SİNYALİ (Control Signal or Manipulated Variable); m(t): Denetim elemanları grubunun denetlenen sisteme uyguladıkları nicelik veya koşuldur. Bu sinyal denetim organı çıkışında denetim sinyali olarak son denetim elemanına gönderilir. Burada yeteri kadar kuvvetlendirilerek denetlenen sistemin denetlenen değişkenini değiştirecek şekilde bir düzeltme işleme meydana getirir. Fakat esas denetim biçimi denetim organı tarafından üretilir. DENETLENEN SİSTEM (Controlled System or Plant): Özel bir niceliğin denetlendiği tesisat, süreç veya bir makinedir. ÇIKIŞ VEYA DENETLENEN DEĞİŞKEN (Controlled Variable); c(t): Denetlenen sistemin niceliği veya koşuludur. Bu niceliğin, sistemin bozucu girişlerden etkilenmeksizin kumanda girişini izleyecek şekilde önceden tanımlanan bir değerde sabit tutulması gerekir. BOZUCU GİRİŞLER (Disturbance Inputs); d(t): Sistemin denetlenen çıkışı üzerinde arzu edilmeyen yönde etki yapan girişlerdir. Eğer bozucu etkiler sistem kendi içinden meydana geliyorsa iç bozucular, sistem dışından geliyorsa dış bozucular adını alır ve her ikisi de sistem için bir giriştir. Bozucu giriş denetim sistemi döngüsüne herhangi bir noktadan etki edebilir. GERİBESLEME SİNYALİ (Feedback Signal); b(t): Denetlenen değişkenin bir fonksiyonu olup başvuru girişi ile karşılaştırılarak hata sinyalini elde edilmesini sağlar. GERİBESLEME 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 Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 8

dönüştürgeçten (transducer) ibarettir. Geribesleme elemanı denetlenen değişkenin ölçülen değerini sağlar. Genellikle geribesleme elemanı bir ölçü elemanı biçimindedir. GERİBESLEME YOLU (Feedback Path): Denetlenen çıkış sinyalinden geribesleme sinyaline kadar uzanan iletim yoludur. İLERİBESLEME ELEMANLARI (Feedfonvard or Fonvard Element): Arzu edilen çıkışı sağlamak üzere hata sinyaline tepki gösteren birimdir. İLERİBESLEME YOLU (Feedfonvard Path): Hata sinyalinden denetlenen çıkış sinyaline kadar uzanan iletim yolu. AÇIK-DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ (Open-Loop Control System): Denetim faaliyetinin denetim sistemi çıkışından bağımsız olduğu sistemdir. Açık-döngü denetimde arzu edilen çıkışın denetlenen çıkış değişkeni ile hiçbir karşılaştırması yoktur (Şekil 1.3). KAPALI-DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ (Closed-Loop Control System): Denetim faaliyeti sistemin denetlenen çıkışına bağlı olduğu sistemdir (Şekil 1.4). 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. DÜZENLEYİCİ DENETİM (Regülatör or Regulatory Control): Başvuru girişinin uzun zaman aralıkları içersinde belli bir çalışma koşulu için, değişmez veya sabit tutulduğu geribeslemeli denetim sistemidir. Düzenleyici denetimde sisteme etki eden bozucu girişlere rağmen sistem çıkışının arzu edilen değerde tutulması esastır. Bu tür denetimde sabit bir sinyal (ayar değeri) girişinde sabit kalıcı-durum çıkışı elde edilir. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 9

SERVOMEKANİZMA VEYA SERVO (Servomechanism or servo): Çıkışın mekaniksel konum, hız veya ivme olan geribeslemeli denetim sistemidir. Servo veya servomekanizma ifadesi aynı zamanda güç yükseltme kalıcı durum hatası sıfırdır. SÜREÇ DENETİM SİSTEMİ (Process Control System)'. Çıkışı sıcaklık, basınç, akış, seviye ve ph gibi değişkenler olan düzenleyici denetim türünde geribeslemeli denetim sistemidir. Süreç denetim, süreç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılır. NÜMERİK DENETİM (Numerical Control): Genelde takım tezgahları ve diğer tür makinelerde (örneğin dokuma makineleri) kullanılan konum denetim sistemi anlamında kullanılır. Eski bir uygulama olup denetim delikli kartlar, mıknatıslı teyplerle yapılmaktadır. Sisteme delikli kartlarla verilen bilgiler bugün artık sayısal bilgisayarlarla verilmektedir. Bu tür denetim sistemleri ise doğrudan sayısal denetim adını almaktadır. DOĞRUDAN SAYISAL DENETİM (Direct Digital Control): Tek döngülü örneksel denetleyiciler grubunun yerini tek bir sayısal bilgisayar alır. Bu bilgisayarların daha yüksek hesaplama yeteneği, daha karmaşık ileri denetim tekniklerinin uygulanabilmesini olanaklı kılar. UYARLAMALI DENETİM (Adaptive Control): Uyarlamak denetim, sistemin kendi işlemlerini en iyi olası işlem tarzını sağlamak doğrultusunda uyarlayabilme yeteneğinde olan sistemdir. Uyarlamalı denetim sistemlerinin tanımlama, karar verme ve düzeltme gibi üç temel ilkesi vardır. ÖĞRENMELİ DENETİM (Learning Control): Belirli bir düzeyde hesap-lama yeteneğine sahip ve böylece, denetlenen değişkenin matematiksel modelinin tanımlarını geliştirebilen ve işlemlerini bu yeni bilgiler doğrultusunda düzeltebilen denetim sistemi. Bu açıdan öğrenmeli denetim, uyarlamalı denetimin gelişkin bir biçimidir. BİLGİSAYARLI DENETİM (Computer Control): Denetim sistemlerinde bilgisayarların ve mikroişlemcilerin kullanıldığı denetim türü olup gözetleyici denetim ya da optimizasyon denetimi, doğrudan sayısal denetim ve düzey (hiyerarşi) denetimi şeklinde uygulanır. GÖZETLEYİCİ DENETİM (Supervisory Computer Control): Ya da optimizasyon denetiminde bilgisayar, dış ya da ikincil türden bir sığayla (kapasite) işler ve ilk denetim sistemindeki düzenlenmiş konumları, ya doğrudan ya da işleticinin yardımıyla değiştirir. Örneğin, bir kimyasal işlem, sıcaklığı termostatik olarak ayarlanan bir tankta gerçekleşebilir. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 10

Gözetleyici denetim sistemi, çeşitli nedenlerle termostatın düzeyini yeniden ayarlayabilir. Gözetleyici denetimin amacı, tesisin işletim düzenini korumak ve böylece giderleri düşürmek ya da üretimi arttırmaktır. DÜZEY DENETİMİ: Bir tesisteki tüm denetim durumlarına bilgisayarların uygulanması yoluyla kurulur. Bu nedenle de, bir tesisin işletimindeki en yüksek yönetsel kararlardan bir valfın çevrilmesine kadar her düzeyden etkinliği bütünleştirebilmek için, en gelişkin bilgisayarlara ve otomatik denetim aygıtlarına gereksinim duyar. UZAKTAN KUMANDA (Remote Control): Bir sistemde donanımı, aygıtları ve işlemleri belli bir uzaklıktan çalıştırma imkanı sağlıyan denetim türüdür. Endüstriyel denetim sistemlerinin büyük bir oranı bu sınıfa girmektedir. Bu tür denetimde gösterge, kaydetme ve denetim aygıtları denetlenen sistemden birkaç yüz metre mesafeye yerleştirilebilinirler. Böylece bir sistemde kumanda odasından denetlenen işleme veya sisteme ve sistemden kumanda odasına sinyal aktarımı ya pnömatik ya da elektriksel biçimde olmaktadır. DUYARGA (Sensor, Detector): Ölçülen ve dolayısıyla denetlenen niceliğin değerini algılayan veya seçen bir aygıttır. Duyarga eleman veya algılama organı ölçme sistemi zincirin ilk halkası olup duyarga ifadesi bazen sezici (detector), birincil organ veya dönüştürgeç (transducer) yerine de kullanılmaktadır. DÖNÜŞTÜRGEÇ {Transducer): Genel olarak herhangi bir enerji biçimini diğer bir enerji biçimine dönüştüren aygıt olarak tanımlanır. Örneğin ışık enerjisini elektriksel enerjiye dönüştüren fotoseller, mekaniksel enerjiyi elektriksel enerjiye dönüştüren potansiyemetreler v.s. özellikle ölçme sistemi açısından bir enerji dönüştürme aygıtı olarak çalışan dönüştürgeç uyarıyı ölçmenin konusu olan fiziksel ortamdan alır ve bu uyarıyı bir ölçme sistemi girişine göre daha uygun olan bir sinyale dönüştürür. ROBOT veya MANİPÜLATÖR {Robot or Manipülatör): İnsan müdahalesi gerektirmeden otomatik olarak hizmet görmek üzere tasarımlanmış programlı bir aygıttır. Endüstriyel bir robot veya manipülatör bir insanın bel, omuz, dirsek ve bilek hareketlerine denk serbestlik dereceleri içeren bir kol ve eldeıî ibaret olup ulaşma mesafesi içerisindeki herhangi bir noktaya uzanabilir ve iş parçalarını veya aletleri kolayca yakalayabilir. Robot, endüstride özellikle malzeme aktarma işlevlerinin yerine getirilmesinde çok kullanılır. Robotlar endüstriyel uygulamalarda büyük bir potansiyel arzetmekle beraber günümüzde daha çok, makinalarm yüklenmesi ve boşaltılması, tekrarlamak istifleme, ayırma (tasnif), parçaların Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 11

konumlandırılması, aktarılması, kaynak, boyama (otomobil endüstrilerinde) işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. 1.4 DENETİM SİSTEMLERİ VE TÜRLERİ Denetim sistemlerini ve işlemlerini, bilinçli veya bilinçsiz günlük yaşantımızın her anında kullanırız. Örneğin, insan vücudu ile ilgili fizyolojik denetim işlemleri olarak vücut sıcaklığının denetimi, kan şekerinin ayarlanması, gözün ışığın şiddetine göre kısılması gibi işlemleri sayabiliriz. Doğada benzeri denetim işlemlerinin binlerce örneğiyle karşılaşmak mümkündür. Yine sosyal yaşamı doğrudan etkileyen denetim uygulamalarına rastlamak mümkündür. Örneğin fiyat artışları (enflasyon) belli oranda pazardaki talebin azaltılması veya paranın değerinin arttırılması yolu ile denetlenebilir. Endüstriyel anlamda bir sıcaklık denetim sistemi bir kez ayarlandıktan sonra bizim müdahalemiz olmaksızın ortamın sıcaklığını otomatik olarak belli bir değerde tutmak için sürekli olarak çalışabilir.. Türü ne olursa olsun bir denetim sisteminde mutlaka denetleyen veya yöneten, yönlendiren ve denetlenen veya yönetilen, yönlendirilen olmak üzere iki temel unsur vardır. Bu anlamda üç temel denetim sistemi vardır: (i)doğal denetim sistemleri, (ii) Endüstride kullanılan insan yapısı denetim sistemleri ve (iii) Hem doğal ve hem de insan yapısı unsurlar içeren karma denetim sistemleri. Karma denetim sistemlerinde denetim organı olarak doğal unsur olan insan kullanılır. Örneğin, bir insanın bir otomobili belli bir rotaya göre sürmesi gibi. Doğal denetim sistemleri esasında konumuz dışı olaylardır. Burada inceleme konusu olan sistemler insan yapısı endüstriyel denetim sistemleridir. Denetim sistemleri denetim etkisi açısından iki ana sınıfa ayrılır. Bunlar; (i) Açık-döngü denetim sistemleri ve (ii) Kapalı-döngü denetim sistemleri; (i) Açık-döngü denetim sistemlerinde denetim eylemi sistem çıkışından bağımsızdır. Açıkdöngü sistemlerde çıkışın ölçülmesi ve geribeslenmesi söz konusu değildir. Dolayısıyla sistemin girişi çıkış bilgisinden haberdar olmaz. Uygulamada açık-döngü denetim sistemleri giriş-çıkış bağıntıları önceden belli olan ve iç veya dış bozuculara maruz kalmayan sistemlerde kullanılır. Çıkış ve girişin bir karşılaştırması Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 12

yapılmadığından sistemin çalışma doğruluğu yapılan kalibrasyonun (ayarlama) derecesine bağlıdır. Açık-döngü denetim sistemleri ya zamanlama ya da sıralama esasına göre çalışırlar. Örneğin, otomatik çamaşır makinelerinde olduğu gibi, sistem girişi bir program şeklinde verilir ve sistem program sırasını izler. Trafik ışıklarının denetimi örneğinde ise program zaman esasına göredir. Işıkların yanıp sönmesi belli bir sırada belli bir zaman süresi kadardır. (ii) Kapalı-döngü denetimde; denetim etkisi sistem çıkışına bağlıdır. Sistemin çıkışı ölçülüp geribeslendikten sonra arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırılır. Böylece sistemin girişi çıkıştan haberdardır. Sistem çıkışı geri beslenerek girişe uygulandığından bu tür sistemlere aynı zamanda geribeslemeli sistemler de denir. Açık-döngü sistem ile kapalı-döngü sistemi birbirinden ayıran en önemli unsur geribesleme etkisidir. Geribesleme etkisi ise, negatif geribesleme ve pozitif geribesleme olmak üzere iki şekilde olur. Negatif geribeslemede, çıkıştaki değişimler girişe ters yönde etki eder. Böyle bir sistemde çıkış, arzu edilen değere göre bir artış gösterecek olursa denetim etkisinin azaltılarak çıkışın istenen değere geri dönmesi sağlanır. Aksi bir durumda, eğer çıkış arzu edilen değere göre bir azalma (negatif değişme) gösterirse denetim etkisi artırılarak çıkışın istenen değere yükselmesi sağlanır. Negatif geribeslemede daima giriş ile çıkışın bir farkı alınır ve bu fark negatif veya pozitif değerli olabilir. Denetim organına bir hata girişi olarak iletilen bu değer, yukarıda da açıklandığı gibi, çıkışın istenen değere getirilmesini ve bu değerde sabit tutulmasını sağlar. Negatif geribesleme endüstriyel sistemlerin en önemli özelliğidir ve daima hatayı en küçük değer de tutmaya veya sıfır yapmaya çalışır. Pozitif geribeslemede çıkış girişe aynı yönde etki eder. Buna göre çıkışta herhangi bir artış meydana gelecek olursa bu giriş ile toplanarak hata sinyalinde bir artış ve dolayısıyle de denetim sinyalinde bir artış meydana getirir. Bu sistemde çıkışı daha da artıracak yönde bir etki yaratır. Sonuçta artış sistemin fiziksel sınırlamalarına kadar devam eder ve sistem denetlenebilirliliğini kaybeder. Pozitif geribesleme iç döngüler hariç bir kapalı-döngü denetim sisteminde kullanılmaz. Denetim sistemleri uygulama alanları ve çalışma biçimlerine göre, düzenleyici denetim, izleyici denetim, servomekanizma denetim gibi isimler de alırlar. Endüstriyel alanda kullanılan bu sistemlerin tümü negatif geribeslemelidir. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 13

Düzenleyici denetim sabit bir ayar değeri esasına göre çalışan ve sistem çıkışın, tüm bozucu girişlerin varlığına rağmen sabit değerde tutmaya çalışan denetim sistemi çalışmasıdır. Sıcaklık, seviye, debi, basınç v.b. değişkenlerin denetiminde kullanılan bu çalışma biçimi yaygın olarak süreç endüstrilerinde kullanılır. İzleyici denetimde giriş değişken olup sistem çıkışı bu girişi izlemeye çalışır. Burada sistem çıkışının hem başvuru girişi ve hemde bozucu girişten doğan değişmeleri izlemesi ve arzu edilen değere getirilmesi esastır. Bu tür denetim daha çok imalat endüstrilerinde, uzay taşıt araçlarında kullanılır. Örneğin takım tezgahlarında kesici bıçağın bir şablonu izleyerek istenen parça biçimini işlemesi bu türden çalışma olur. İzleyici denetim daha çok konum denetim sistemi şeklindedir. Servomekanizma, mekaniksel çıkışlı güç yükseltilmesi gerekli sistemlerde kullanılır. Yerine göre izleyici türde, yerine göre de düzenleyici türde çalışabilir. Örneğin, büyük güç yükseltmesi gereken konum servomekanizması izleyici türde, buna karşılık bir hız denetim servomekanizması düzenleyici türde denetim çalışması gösterir. Endüstriyel alanda ise örneğin, sıcaklık yanında, basınç, debi, seviye gibi diğer değişkenlerin denetimi de gerekebilir. Böyle bir durumda tek girişli-tek çıkışlı bir denetim sistemi yeterli olamaz. Modern endüstriyel sistemler daha çok çok girişli-çok çıkışlı sistemlerdir ve hatta bu giriş ve çıkışlar arasında karşılıklı etkileşimler de mevcut olabilir. Bu tür denetim sistemlerinin temel yapısı yinede geribeslemeli biçiminde olmakla beraber sistem içinde birden fazla döngü yer alır. Çeşitli giriş ve çıkışlar arasında en uygun denetim sinyalini sağlamak için daha çok bilgisayarlardan ve mikroişlemcilerden yararlanılır. Bu kitapta daha çok tek girişli-tek çıkışlı doğrusal sistemler ele alınacaktır. 1.5 DENETİM SİSTEMLERİNİN YAPISI VE KULLANIM ALANLARI Endüstriyel anlamda bir denetim sistemi; (i) denetlenen sistem veya süreç ve (ii) denetim elemanları donanımı olmak üzere iki ana kısımdan ibarettir. Denetim organları donanımı ise (i) ölçme sistemi, (ii) karşılaştırma elemanı, (iii) denetim organı, (iv) sürücü veya kumanda elemanından meydana gelir (Şekil 1.2). Denetlenen sistem ve denetim elemanları donanımı birbirlerine karşılıklı olarak birtakım hatlarla bağlanmıştır. Bunlar; (i) süreç ürünlerinin aktığı enerji ile ilişkili olanı, süreç hattı, (ii) ölçme ve denetim sinyalleri aktığı hat, bilgi veya sinyal hattı ve (iii) denetim elemanları ve sistem çalıştıran cihazlar için gerekli gücün aktığı, güç hattı isimlerini alırlar. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 14

Ölçme sistemi, duyarga veya duyar eleman ve sinyal kuvvetlendirme-şartlandırma olmak üzere iki kısımdan ibarettir. Ayrıca denetlenen değişkenin ölçülen değerinin bilinmesi gerekiyorsa birde gösterge elemanı bulunabilir. Duyarga sistemin çıkışındaki değişmeleri, gözlenebilir ve denetlenebilir bir biçimde sistem girişi ile aynı fiziksel büyüklük cinsine dönüştürür. Genellikle duyarga çıkış zayıf bir sinyal olup kuvvetlendirilmesi gerekir. Kuvvetlendirici devresi genellikle bir dış güç kaynağından enerji çekerek denetim döngüsü için gerekli güçte bir sinyal sağlar. Tüm denetim sistemi döngüsünün hassasiyeti ölçme sisteminin hassasiyetine bağlıdır. Bu nedenle denetim sisteminin hassasiyeti ölçme sisteminin hassasiyetinden daha yüksek olamaz. Genellikle karşılaştırma elemanını da içine alan denetim organı; sistem çıkışının denetim amaçlarına uygunluğunun saptanması ve sistemi denetim amaçlan doğrultusunda yönetmek için gerekli denetim değişimlerini belirlemek gibi işlevleri yürütür. Denetim organın temel görevi karşılaştırıcıdan kendisine hata veya sapma olarak iletilen giriş bilgisine göre denetim sinyali şeklinde uygun karar üretmektir. Denetim organı fiziksel yapısı günümüzde daha çok elektronik ve pnömatik olmaktadır. Elektronik olarak benzeşik (analog) devrelerden meydana gelebildiği gibi sayısal devrelerden meydana gelebilir. Sayısal devrelerden (mikroişlemci) meydana gelmiş denetim organı aynı zamanda gerekli hesaplamaları yapabilme yeterliliğine de sahiptir. Son denetim organı veya motor eleman adlarını da alan kumanda elemanı denetlenen sistemi doğrudan etkileyen sürücü bir elemandır. Son denetim elemanı denetim organından aldığı denetim sinyaline bağlı olarak dış enerji kaynağından aldığı güçle bir hareket üretir. Bu hareket denetlenen değişkenin enerji akışını modüle eder. Kullanılan enerjinin biçimine bağlı olarak motor elemanı, elektriksel, pnömatik veya hidrolik yapıda olabilir. Uygulamada genellikle motor elemanın yapısına bağlı olarak denetim elemanları da elektriksel, pnömatik veya hidrolik denetim elemanı isimlerini alırlar. Çok küçük hacimlerde büyük güçler sağlayan hidrolik sistemlerin özel kullanım alanları mevcuttur. Bunlarda 10 4 ila 10 8 mertebelerinde güç yükseltmeleri mümkündür. Elektrik enerjisinin her yerde kolaylıkla sağlanabilir olması ve elektronik teknolojisindeki gelişmeler günümüzde elektriksel sistemleri çok yaygın olarak kullanılır hale sokmuştur. Pnömatik sistemler, özellikle yangın tehlikesi olan yerlerde kullanılmaktadır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 15

Ayrıca bu sistemlerin bileşimi olan karma sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlardan çoğunlukla denetim sistemi döngüsünün ölçme sistemi ve karşılaştırma elemanları elektriksel-elektronik olarak çalışmakta, motor elemanı ise elektriksel pnömatik veya hidrolik yapıdadırlar. Kesin çizgilerle olmamakla beraber imalat endüstrilerinde izleyici veya servomekanizma biçimi çalışan denetim sistemleri ve süreç endüstrilerinde ise düzenleyici (regulatory) biçimde çalışan denetim sistemleri kullanılmaktadır. Takım tezgahlarında konum denetim sistemleri, kağıt fabrikalarında ve dokuma makinalarmda gergi denetim sistemleri, metal çekme makinalarmda kalınlık denetimi, robotikler v.b. servomekanizma biçimi çalışan sistemlerdir. Ayrıca servomekanizmaların, füze rampaları ve güdümlü füzelerin konumlandırılması, radar antenlerinin ve teleskopların yönlendirilmesi, otomatik dümen sistemleri, hava taşıtlarının otomatik seyri gibi özel kullanım alanları da mevcuttur. Seviye, sıcaklık, basınç, debi gibi değişkenlerin denetlendiği süreç denetim sistemleri düzenleyici (regulatory) biçimde çalışırlar. Bunun dışında, elektrolit kaplama kalınlığının denetimi, gaz-karışımı denetimi, harmanlama sistemleri, nükleer reaktörde tepkime denetimi sıvılarda kimyasal konsantrasyon denetimi v.b. leri endüstrilerinde kullanılan denetim sistemleridir. Süreç denetim sistemlerinin tasarım felsefesi servomekanizmaların tasarım felsefesinden oldukça farklıdır. Bununla beraber, denetim sistemlerinin tüm dallarında ilgili analitik problemler benzerdir ve pekçok analiz ve sentez teknikleri ve test yöntemleri ortaktır. 1.6 DENETİM SİSTEMLERİNİN TASARIM İLKELERİ Denetim sisteminin amacı denetim büyüklüğünün girişteki arzu edilen değere uygun tutmaktır. Düzenleyici (regulatory) tipinde çalışan süreç denetim sistemlerinde girişte sabit bir başvuru değeri veya ayar değeri uygulanmakta, denetlenen büyüklüğün ayar değerinde olması, diğer bir deyişle hatanın sıfır veya önemsenmeyecek kadar küçük olması istenir. İzleyici denetim tipinde çalışan servomekanizmalarda ise çıkıştaki denetim büyüklüğünün değişken giriş sinyalini hatasız bir şekilde izlemesi istenir. Ancak sisteme etki eden bozucu büyüklükler denetim büyüklüğünü arzu edilen giriş değerinden saptırmaya çalışır. Bir denetim sisteminden istenen başvuru değerinden uzaklaşan denetim büyüklüğünü yeniden başvuru değerine erişmesini sağlamaktır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 16

Ayrıca başvuru değerinde herhangi bir değişim olduğu zaman denetim büyüklüğü bu yeni başvuru değerine erişmeli ve düzenli bir şekilde bu değeri korumalıdır. Denetim sistemin bu durumuna sürekli-durum veya kalıcı-durum çalışması denir. Denetim sistemlerinin kalıcıdurum çalışmasına erişinceye kadar gösterdikleri çalışma şekline ise "geçici-durum" çalışması adı verilir. Denetim sistemlerinin çözümlemelerinde geçici-durum ve kalıcı-durum çalışmaları ile ilgili olarak aşağıdaki özellikleri sağlayıp sağlamadığı araştırılır. i) Kararlı çalışma: Herhangi bir denetim sistemi herşeyden önce kararlı olmalıdır. Kararlı bir çalışma sağlamayan denetim sistemi hiçbir işe yaramaz. Bir denetim sisteminin kararlılığı denilince sistemin sınırlı bir giriş değerine karşılık sınırlı bir çıkış değeri vermesi anlaşılır. Burada bir denetim sisteminde büyüklüğü bozucu etkenler sonucu kalıcı durum değerinden sapma gösterdiğinde önceki kalıcı-durum değerine veya başvuru değerinde bir değişim olmuşsa yeni kalıcı-durum değerine kararlı bir geçiş durumu ile erişmesi istenir. Yalnız bir sistemin mutlak kararlı olup olmadığını bilmek çoğu durumlarda yeterli olmayıp genellikle sistemin kararsız olmaya ne kadar yakın olduğunun da bilinmesi gerekir. Yani sistemin bağıl kararlılığını bulmak gerekir. Bir denetim sisteminin kararlılığı sistemin kendi yapısına bağlı olup başvuru girişinden ve bozucu girişlerden bağımsızdır. ii) Geçici durum çalışması halinde hızlı cevap: Bir denetim sisteminin geçici durum çalışmasında denetim büyüklüğünün kalıcı durum değerine mümkün olan en kısa zamanda erişmesi diğer bir deyişle uyarılara hızlı bir cevap vermesi istenir. Cevap hızlılığı sistemin kazancı ile artar. iii) Kalıcı-durum davranışı: (Kalıcı-durum doğruluğu veya müsaade edilebilinir hata) Bir denetim sisteminde kalıcı-durum çalışmasında hataların sıfır veya önemsenmeyen değerlerde tutulması istenir. Bu durum denetim sisteminin duyarlılığı (sensivity) ile ilgili olup sistemde hata sıfır ise yani denetim büyüklüğü başvuru değerine eşitse ve kalıcı-durum çalışmasında sıfır hata korunabiliyorsa "duyarlılık" gayet yüksektir denir. Duyarlılık sistem kazancı ile artar. Hata değerini sıfırda tutmak pek kolay ve ekonomik bir iş olmayıp genellikle denetim büyüklüğü başvuru değerini artı eksi bir tolerans sınırı içinde korur. Bu tolerans sınırı ne kadar dar ise duyarlılık o kadar yüksek olur. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 17

İdeal olarak bir denetim sisteminin çok kararlı, çok hızlı ve çok duyarlı olması istenir. Diğer taraftan çok hızlı ve duyarlı sistemler kararsız çalışmaya eğilimlidir. Şöyle ki kalıcı-durum hatasını en aza indirmek ve cevap hızını artırmak için sistemin duyarlılığını artırmak gerekir ki bu da diğer taraftan sistemin kararlılığını azaltmaktadır. Denetim sistemlerinin tasarımında bu iki temel özellik arasında uygun bir uzlaşma sağlanmaya çalışılır. 1.7 OTOMATİK DENETİM SİSTEMİ UYGULAMALARI Doğada, çevremizde, günlük işlerimizde ve endüstriyel alanda kullandığımız sınırsız sayıda denetim sistemi örneklerine rastlamak mümkündür. Doğadaki örneklerini, ekolojik denetim sistemi, kan basıncı denetim sistemi, solunum denetim sistemi, adrenalin denetim sistemi v.s. çevremizdeki örneklerini, ekonomi denetim sistemi, sosyoloji denetim sistemi v.s. günlük işlerimizdeki örneklerini, ütü, buzdolabı, banyo sıcak su kazanı gibi yerlerde kullanılan sıcaklık denetim sistemleri ve endüstriyel alanındaki örneklerini ise, süreç ve imalat endüstrilerinde kullanılan sıcaklık, basınç, debi, ph, konsantrasyon, konum, hız v.b. denetim sistemleri olarak sayabiliriz. Doğada bulunan ve endüstride kullanılan denetim sistemlerinin çok büyük bir çoğunluğunu kapalı-döngü geribeslemeli denetim sistemleri teşkil eder. Açık-döngü denetim sistemleri uygulamalarının sayısı ise oldukça sınırlıdır. Evlerimizde kullandığımız tam otomatik çamaşır makinası, trafik akışını düzenleyen trafik lambaları, imalat endüstrilerinde kullanılan sıralama denetim sistemleri v.b. açık-döngü denetim sistemi örnekleri olarak ele alınabilir. Tam otomatik çamaşır makinesi kendisine program olarak sunulan önceden saptanmış belli bir işlem sırasına göre çalışır. Amacı belli bir temizlikte yıkanmış çamaşır elde etmektir. Kendisine belli bir program şeklinde verilen ayar değerlerine göre, yıkama, durulama, yumuşatma, sıkma v.b. işlemleri sırasıyla yerine getirir ve sonuçta çıkış olarak belli temizlikte yıkanmış çamaşır elde edilir. Her ne kadar yıkama işlemi sırasında kullanılan suyun ısıtılması termostatik bir düzenekle geribeslemeli olarak yerine getirilmiş olsa da, sistemin esas giriş olan çamaşırların arzu edilen temizlik derecesi ile sonuçta gerçeklenen temizlik derecesinin işlem sırasında bir karşılaştırması yoktur. Elde edilen temizlik derecesi arzu ettiğimiz temizlik derecesine eşit olabilir veya olmayabilir. Dolayısıyla sistem denetim eylemi açısından açıkdöngü denetim tipindedir. Trafik ışıkları yoluyla yapılan trafik denetim sistemi de açık-döngü şeklinde çalışır. Ortalama trafik yoğunluğuna göre belli bir merkezden zaman esasına göre ayarlanan trafik ışıklarının sırasıyla yanıp sönmesi trafiğin sıkışmadan akmasını sağlamaya Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 18

çalışır. Fakat yeşil ışığın yanma süresi her zaman bekleyen trafiğin tamamının geçişini sağlamayabilir. Çünkü burada arzu edilen trafik akışı, girişin gerçekleşen trafik akışı, çıkış ile bir karşılaştırması yoktur. a) Elle denetim b) Otomatik denetim Şekil 1.4 Sıcaklık denetim sistemi Kapalı-döngü denetim sistemi örneği olarak Şekil 1.4'de görülen basit bir sıcaklık denetim sistemi ele alınabilir. Şekil 1.4a'da elle çalışan kapalı-döngü denetim ve Şekil 1.4b'de ise tamam otomatik denetim organları ile gerçeklenen kapalı-döngü denetim sistemi örneği verilmiştir. Elle denetimde denetim döngüsü insan unsuru ile kapanır. Burada insan hem karşılaştırma ve hem de denetim organı işlevlerini yerine getirir. Arzu edilen sıcaklık giriş olarak insanın belleğine daha önceden verilmiştir. İnsan sıcaklık ölçerle belirlenen, denetlenen çıkış sıcaklığını gözleri vasıtasıyla algıladıktan sonra belleğindeki giriş bilgisi ile karşılaştırır. Arada bir fark var ise bunu hata olarak görür ve bu hatayı düzeltici yönde işlem yapar. Burada; eğer gözlenen çıkış sıcaklığı arzu edilen sıcaklıktan yüksekse sisteme buhar biçimde bir vanadan giren ısı enerjisi miktarı insan kas gücü ile kısılır veya tersi bir durumda ısı enerjisi miktarı artırılır. Kas gücü motor eleman işlevini yerine getirir. Şekil 1.4b'de ise insanın yerini bir denetim organı almıştır. Arzu edilen giriş denetim organı üzerinde yer alan bir düğme veya benzeri elemandan ayar değeri olarak belirlenir. Denetlenen çıkış sıcaklığı ise bir sıcaklık ölçerin duyargası ile algılanıp denetim organının anlayabileceği sinyal yapısına dönüştürülür ve denetim organında arzu edilen giriş sinyali ile karşılaştırılır. Giriş ve çıkış arasında meydana gelebilecek herhangi bir fark hata olarak belirlendikten sonra denetim organı Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 19

bu hatayı düzeltecek bir denetim sinyali üretir. Denetim sinyali, bu sistemde motor vana olarak gösterilen motor elemanı harekete geçirerek sisteme giren ısı enerjisi miktarını kısar veya açar. Her iki denetim şeklini karşılaştıracak olursak her ikisinin de geribeslemeli kapalı-döngü denetim sistemi olduğunu görürüz. Elle denetimde ölçülen çıkış değişkenin algılanması ve bunu arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırması ve meydana gelen hata sinyaline uygun bir düzeltme işleminin yerine getirilmesi hep insan tarafından sağlanmaktadır. İkincisinde ise insanın yerini bir otomatik denetim organı almıştır. Denetim organı insanın duyu organları ve kas gücü ile yaptığı işlemleri otomatik olarak yapar. Bunun için de denetim organı donanımında kullanılan ölçü sistemi donanımı, karşılaştırıcı, motor elemanın elle çalışanlardan farklı olmalıdır. Ölçü sistemi duyargasından algıladığı ölçülen fiziksel büyüklüğü karşılaştırma noktasında anlaşılan bir sinyale (giriş ile aynı cinsten) dönüştürebilmen ve motor elemanında hata sinyaline bağlı olarak üretilen denetim sinyaline cevap verebilmesi gerekir. Bu sinyaller genellikle denetim organı çalıştırmak için kullanılan enerji (elektriksel, pnömatik, hidrolik) cinsinden olurlar. Her iki sistemi; elle denetim de ve otomatik denetim açısından ele alacak olursak otomatik denetimin elle denetime göre belli başlı özelliklerini ortaya koyabiliriz. Özellikle bu örnekte olduğu gibi insan için sadece bir ölçü aletini gözleyip buna göre bir vanayı açıp kapama işlemi basit, hiçbir yaratıcılık gerektirmeyen, monoton ve can sıkıcıdır. Bir insanın tepki süresi 0.8 saniyenin üzerine çıkmaz. Buna karşılık otomatik denetim organlarının tepki süresi milisaniyeler ve hata bazen mikrosaniyeler mertebelerindedir. Ayrıca insan aynı ürünü sürekli olarak aynı standartta üretemez. Endüstride üretimi, verimi arttırmak ürünlerin kalitesini yükseltmek açısından otomatik denetim gerekli olmaktadır. Şekil 1.5'te kapalı-döngü sıvı seviye sisteminin dört farklı yapıda denetim organı ile çalışması verilmiştir. Her üç sistemde de denetim sistemin amacı aynı olup sıvı seviyesini sabit bir değerde tutmaktır. Şekil 1.5a sistem basit mekaniksel olarak çalışan denetim organı ile donatılmıştır. Sıvının seviyesi şamandıra yardımıyla algılandıktan sonra manivela kolunda arzu edilen seviye ile karşılaştırarak aradaki fark hata sinyali olarak düzeltme işlemi için vananın tapa çubuğuna iletilir. Sonuç olarak şamandıraya etki eden kaldırma kuvveti, manivela-mafsal çubuk mekanizması vasıtasıyla doğrudan doğruya vanaya iletilir ve vananın açılma veya kapanma yönünde hareket etmesini sağlar. Mekaniksel olarak çalışan denetim organı için dışarıdan uygulanacak hiçbir enerjiye gerek yoktur. Küçük hacimli depolarda Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 20

Şekil 1.5 Çeşitli sıvı seviye sistemleri suyun kaldırma kuvveti bir vananın açılıp kapanması için yeterli olabilir. Buna karşılık eğer buradan saniyede geçen sıvı miktarı ve sistem basıncı artacak olursa böyle bir denetim sistemi yetersiz kalır. Şekil 1.5b'de aynı sistemin pnömatik enerji ile çalışan denetim organı ile çalışması görülmektedir. Burada şamandıra yine sıvı seviyesini ölçmek için kullanılmakta, yalnız bu kez sıvının kaldırma kuvveti doğrudan doğruya valf açmak için kullanılmamış bunun yerine basınçlı hava enerjisinden yararlanılmıştır. Şamandıraya bağlı manivela çubuğunun bir ucu basınçlı havanın atmosfere boşaltıldığı lülenin önünü açmak veya kapama işlevini yerine getirir. Lülenin önü kapanınca atmosfere gidemeyen hava lüle arkasında bir basınç oluşturur. Bu basınç pnömatik motor vananın diyaframı üzerinde bir basınç kuvveti oluşturarak vananın kısılıp sisteme daha az sıvının girmesini sağlar. Tersi bir durumda diyafram üzerine etki eden basmç kuvveti azalacak ve buna karşılık karşı yönden etkiyen yay kuvveti vanayı açmaya çalışacaktır. Sonuçta yine sıvı seviyesi öngörülen sabit bir değerde tutulmaya çalışılacaktır. Yalnız burada denetim organı donanımının dışarıdan verilen enerji ile çalışması yanında sistemin Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 21

hassasiyeti artmış, hata oranı azalmış ve denetim kapasitesi yükselmiştir. Mekaniksel sistemin çubuk bağlantılarındaki boşluklar denetim hassasiyetini azaltır. Laçkalık olarak bilinen bu olayda sistemin girişinde meydana gelen çok küçük değişimler aynı oranda çıkışa iletilemez. Ayrıca mafsallarda karşılaşılan sürtünme kuvvetleri de kuvvetin aynı oranda iletilmesini önler. Bu nedenlerle mekaniksel sistemin çalışma alanı sınırlı kalmaktadır. Şekil 1.5c'de daha fazla hassasiyet ve denetim kuvveti gerektiren yerlerde kullanılan hidrolik enerji ile çalışan denetim sistemi örneği gösterilmiştir. Suyun seviyesine göre hareket eden şamandıranın bir ucu hidrolik valf-silindir sisteminin valf sürgüsünü hareket ettirerek basınçlı hidrolik yağın silindir alt veya üst bölmesine girmesini sağlar. Basınçlı yağın silindirin alt bölmesine etki ettirilmesi halinde sıvı denetim vanası açılarak sisteme daha fazla sıvının girmesine ve aksi bir durumda ise vananın kısılarak sisteme giren sıvının azalmasına neden olur. Pnömatik sistemlerde kullanılan basınç 5-10 bar mertebesinde buna karşılık hidrolik sistemlerde 100-150 bar mertebesindedir. Bu nedenle büyük denetim kuvveti gerektiren yerlerde örneğin barajlarda su seviyesinin denetiminde, hidrolik denetim sistemi daha kullanışlı olmaktadır. Ayrıca pnömatik sistemlerde kullanılan gaz akışkanı sıkıştırılabilinir, buna karşılık hidrolik sistemlerde kullanılan sıvı akışkanın sıkıştırılabilirliliği ihmal edilebilir mertebededir. Bu da hidrolik sistemlerin daha hassas ve daha rijit çalışmasını sağlar. Aynı sıvı seviye sistemini elektrik enerjisi ile çalışan denetim organı ile donatmakta mümkündür(şekil 1.5d). Örneğin şamandıranın hareketli bir potansiyometrenin hareketli ucuna bağlanarak sıvı seviyesine orantılı bir gerilim sinyali sağlanabilir. Bu gerilim sinyali arzu edilen sıvı seviyesine karşılık gelen ve denetim organı üzerinde ayar değeri olarak verilen elektrik sinyali ile karşılaştırılır. Meydana gelen fark sinyal hata sinyali olarak bir elektronik kuvvetlendiricide kuvvetlendirildikten sonra akışkan vanasını açıp kapayabilen bir elektrik motorunu çalıştırabilir. Sistemdeki sıvı seviyesinin durumuna göre vana az veya çok açılarak seviyenin belli bir değerde sabit tutulması sağlanmış olur. Elektriksel olarak çalışan sistemler her ne kadar hidrolik sistemler kadar güçlü değilseler de yine bir takım üstünlükleri vardır. Herşeyden önce elektrik enerjisini her yerde hazır olarak bulmak mümkündür. Diğer yandan pnömatik veya hidrolik sistemlerde de sinyal aktarımı, iletişim ve karşılaştırma elektriksel olabilir. Bu nedenle günümüzde pek çok sistem karma şekilde (elektro-pnömatik, elektro-hidrolik) çalışır. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 22

Şekil 1.6'da ayar değeri zamana bağlı olarak değiştirilen geribeslemeli sıcaklık denetim sistemi görülmektedir. Endüstriyel tav fırınlarında sıcaklığı belli zaman aralıklarında belli değerlerde sabit tutulması kadar bu sıcaklığın zamanla değişimi de önemlidir. Tavlanacak malzemenin özelliğine bağlı olarak belli bölgelerde sıcaklığın yavaş yavaş ve belli bölgelerde hızla yükselmesi veya düşürülmesi gerekir. Şekil 1.6 Ayar değeri zaman bağlı değiştirilen sıcaklık denetim sistemi Şekil l.6-a'da bu değişikliği bir zaman rölesine bağlı kam mekanizması ile mekaniksel olarak yerine getirilmektedir. Eski bir sistem olan bu mekaniksel denetim mekanizması belli zaman aralıkları için kam mekanizmasının belirlediği ayar değeri kapalı döngü çalışan fırın içi sıcaklığının sabit bir değerde tutulmasını sağlar. Örneğin fırın içi sıcaklığın o an için belirlenen değerin altına düşmesi halinde sıcaklık duyargası içinde yer alan akışkanda bir büzülme meydana gelecek ve buna bağlı olarak yaylı körük yakıt vanasını açma yönünde hareket ettirerek sisteme daha fazla ısı enerjisi sağlayacaktır. Aksi bir durumda ise sıcaklık ölçer duyargasında yer alan akışkan genleşerek körüğü şişirmeye çalışacak ki bu da yakıt denetim vanasının daha fazla açılmasını sağlayacaktır. Böylece kam mekanizması yoluyla sisteme yeni bir ayar değeri verilene kadar sistem bu sıcaklık değerinde sabit tutulmaya çalışılacaktır. Şekil l.6-b'de aynı sistem için günümüzde kullanılan mikroişlemci denetim yapısı verilmiştir. Bu şekilde mekaniksel denetim organının yerini elektronik denetim organı almış, fakat sistemin denetim mantığı aynı kalmıştır. Mikroişlemcili denetici hem A/D, D/A çeviriciler ve hem de bellek içeren komple EPROM'lu programlanabilen deneticilerdir. Bunlar elektronik teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak gerektiğinde tekbir geribesleme döngüsü için kullanılabilecek kadar ucuz tahsisli denetim organlarıdır. Burada sıcaklık Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 23

algılayıcısının yapısı ile denetim valfınin yapısı, bir önceki yapıya göre değişiklik gösterir. En önemli özelliği, sıcaklık algılayıcısı sıcaklığa bağlı olarak elektriksel sinyal üretmekte ve denetim valfi de elektriksel sinyal yolu ile kumanda edilebilmektedir. Denetim valfi, valfın hareketini sağlayan enerjinin türüne bağlı olarak elektromekanik (elektrik motoru) veya elektroakışkan (elektropnömatik veya elektrohidrolik) türden olabilir. Gerek birinci örnekte ele alınan sıcaklık denetim sistemi gerekse ikinci örnekte ele alman sıvı seviye denetim sistemi düzenleyici (regülatory) türünde çalışan denetim sistemi örnekleridir. Bunlarda temel özellikle sisteme etki eden tüm bozucu girişlere rağmen sistemin denetlenen çıkışının ayar değeri ile belirlenen bir değerde sabit tutmak esastır. Şekil 1.7a'da bir zamanlar takım tezgahlarında kullanılan izleyici türde çalışan bir hidrolik servomekanizma tipi, mekaniksel kumandalı denetim sistemi verilmiştir. Giriş olarak işlenecek parçanın biçimi şablon şeklinde hidrolik valfın sürgüsüne etki ettirilmektedir. Silindir pistonun konumu olarak elde edilen çıkış işareti girişteki değişimleri aynı biçimde izlemek durumundadır. Şablonun ve işlenecek parçanın bağlandığı kızak yatay düzlemde ileriye doğru hareket ettirilmektedir. Şekil 1.7 İzleyici denetim Şablonu izleyen valf sürgüsü silindire giden basınçlı yağ akışını silindirin alt veya üst bölmesine yönlendirir. Silindirin hareketi aynı zamanda silindir ile valf gövdesi arasında yer alan ankastre çubuk ile anında geribeslenerek giriş ile mukayese edilir. Dolayısıyla silindir giriş ile çıkış arasındaki farktan doğan hatayı düzeltecek oranda hareket eder. Bu sistem aynı zamanda servomekanizma tipi denetim sistemine de örnek teşkil eder. Sistem çıkışı görüldüğü gibi mekaniksel bir hareket olan piston çubuğunun konumudur. Ayrıca giriş ile çıkış arasında Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 24

oldukça büyük kuvvetlendirmeler elde edilmektedir. Valf sürgüsünün şablonun yüzeyine hafif şekilde teması sonucu kesme bıçağının işlenen parçayı derin bir şekilde kesmesi sağlanmaktadır. Uygulamalarda hidrolik servomekanizmalarla 10 6-10 8 mertebelerinde büyütmeler elde etmek mümkündür. Şekil 1.9b de aynı sistemin günümüzde CNC takım tezgahlarında kullanılan bilgisayar denetimli yapısı verilmiştir. Burada CNC tezgahında iki veya üç eksenli hareketin yalnızca tek bir ekseni gösterilmiştir. Diğer eksenler de aynı biçimde denetlenmektedir. Genellikle her bir eksende bir mikroişlemci veya mikrodenetici bulunan bu sistemde bilgisayar bu eksenlerin koordinasyonunu sağlamaktadır. Burada şablonun yerini bilgisayar üzerinden yüklenilen yazılım programı almıştır. Böylece daha esnek ve daha hassas bir imalat yapmak mümkün olmaktadır. Günümüzde enkoder geribeslemeli bu sistemlerle 10-20 m hassasiyetinde parça işlemek mümkündür. Buraya kadar verilen örneklerde tek girişli-tek çıkışlı sistemleri ele aldık. Endüstride pekçok uygulamada sistemler daha karmaşık olup birden fazla giriş ve çıkış değişkenine sahiptirler. Çok girişli-çok çıkışlı sistemlerin basit geleneksel yöntemlerle denetimi oldukça güçtür. Günümüzde çok girişli-çok çıkışlı sistemler bilgisayar yardımıyla denetlenmektedir. Şekil 1.8'de buhar türbini ile çalışan çok girişli-çok çıkışlı elektrik üretim sisteminin bilgisayar yardımıyla denetimi verilmiştir. Sistemin belli başlı girdileri besleme suyu yakıt ve hava olup bunlara ait giriş değişkenleri arzu edilen sıcaklık, basınç, oksijen ve arzu edilen elektrik, olarak belirlenmiştir. Sistem çıktısı ise gerçekleşen elektrik üretimidir. Ölçü sistemi donanımı olarak sistemin değişik bölümlerine yerleştirilmiş bulunan oksijen ölçümü, sıcaklık ölçümü ve basınç ölçümünü görmekteyiz. Ayrıca sistemde bir de hız düzenleyicisi yer almaktadır. Dolayısıyla sistemin çeşitli kademesinde oksijen miktarının denetimi sıcaklık denetimi, basınç denetimi ve hız denetimi gerçeklenmekte ve sonuçta da elektrik üretimi denetlenmektedir. Burada bütün bu değişkenler arasında uygun bir denetim sağlayan organ bilgisayardır. Arzu edilen giriş değerleri sistemi bilgisayardan verilmekte ve bilgisayarda sistem için en uygun elektrik üretimini sağlayan besleme suyu, yakıt ve hava miktarlarını ve türbin hızını denetler. Sistem içinde sıcaklık, hava miktarı, basınç ve hız denetim döngüsü olmak üzere birden fazla geribeslemeli döngü mevcuttur. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 25

Şekil 1.8 Bilgisayarlı çok girişli-çok çıkışlı denetim sistemi Ayrıca sistem değişkenleri birbirleri ile karşılıklı etkileşim halindedir. Örneğin yakıt miktarının değişimi hem sıcaklığın ve hem de türbin hızının değişimine neden olacaktır. Bütün bu karşılıklı etkileşimler en iyi şekilde bilgisayar yardımıyla denetlenebilir. Kaynak: Yüksel, İ., Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 26