FPGA Tabanlı Kendini Ayarlayabilen Bulanık Kontrolör ile Manyetik Filtrenin Kontrolü İlker Ali Özkan 1, Saadetdin Herdem 2 1 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Selçuk Üniversitesi, Konya ilkerozkan@selcuk.edu.tr 2 Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Selçuk Üniversitesi, Konya sherdem@selcuk.edu.tr Özetçe Endüstriyel sıvılar daima manyetik özellikli parçacıklar içerirler ve bu parçacıklardan temizlenmeleri sistemin çalışmasının sürekliliği ve verimin yüksekliği için büyük önem arz etmektedir. Bu amaçla farklı şekil ve tiplerde manyetik filtreler kullanılmaktadır. Bu manyetik filtrelerin performanslarının kontrol edilmesi enerji tasarrufu, çevre kirliliğinin azaltılması, filtrelerin tekrar kullanımı vb. faydaları sağlamaktadır. Bu çalışmada biri manyetik filtre performans hatası ve hata değişimine bağlı olarak çalışan bir bulanık kontrolör ve diğeri bu değişimlere bağlı olarak bulanık kontrolörün çıkış ölçeklendirme katsayısını değiştirerek kendini ayarlayabilen bulanık kontrolör olmak üzere iki farklı kontrolör FPGA tabanlı olarak tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen kontrolörlerin manyetik filtreye uygulaması sonucunda manyetik filtrenin performansı değişimine karşılık kontrol tepkileri incelenmiş ve karşılaştırmaları yapılmıştır. 1. Giriş Endüstride teknolojik işlemlerin bir çoğunda bu işlemi oluşturan temel veya yardımcı elemanlardan birisi de sıvılardır [1]. Bu sıvıların içerdikleri yabancı maddelerin büyük çoğunluğu demir bileşenli yani manyetik özellikli parçacıklardan oluşur [1-3]. Sıvıların içerisinde bulunan bu yabancı maddeler, çok düşük konsantrasyonda ve mikron boyutlarında olmalarına rağmen teknolojik işlemlerin içerdikleri cihaz ve düzeneklerin arızalanmasına, ürünlerin bozulmasına hatta bazı durumlarda sistemin tümüyle durmasına sebep olabilirler [1]. Bu nedenle teknolojik işlemlerde sıvıların içerdiği manyetik özellikli bu parçacıklardan temizlenmesi gerekmektedir [2,3]. Bu parçacıklardan sıvıları temizlemenin en etkili yöntemlerinden biri de Manyetik Filtre (MF)'lerdir [1-7]. MF'nin matrisi dış homojen alanla kolayca mıknatıslanabilen manyetik malzemelerden oluşturulur. Matris elemanları dış alanın etkisi ile mıknatıslanarak etraflarında yüksek gradyentli tutma bölgeleri oluştururlar [3]. Temizlenecek olan teknolojik sıvı filtre matrisinden geçerken içerdiği küçük boyutlu parçacıklar bu tutma bölgelerinde tutularak biriktirilir. MF'lerin bu parçacıkları tutma kapasiteleri performanslarını belirlemektedir. MF'lerin performanslarını etkileyen sıvının akış hızı, sıvı içerisindeki manyetik özellikli parçacık miktarı, bu parçacıkların büyüklükleri, manyetik geçirgenlikleri, filtre matrisinin çapı, uzunluğu, filtre matrisinin tipi, bobin tipi ve sarım sayısı vb. pek çok faktör bulunmaktadır [1]. MF lerin performanslarının yüksek tutulması filtreleme işleminin en önemli problemlerinden biridir [1,2,3]. c e a a-manyetik alan oluşturan sistem, b-manyetik olmayan gövde ile oluşturulan filtre matrisi, c-giriş borusu, d-çıkış borusu, e- bobin Şekil 1: Manyetik filtrenin temel yapısı MF'lerin manyetik alan teorisi, akışkanlar dinamiği, güç elektroniği gibi bir çok alanı kapsaması, nonlineer olması ve sistemin zamanla değişimden dolayı bağımsız bir modelinin olmaması gibi nedenlerle matematiksel bir modeli bulunmamaktadır. Bu yüzden MF sistemi için seçilecek kontrolör belirsizlik ve nonlineerliğe uyum sağlayabilmelidir. MF performansını istenilen seviyede tutmak için Bulanık Kontrolör (BK) kullanılarak yapılan çalışmalar mevcuttur [2,3,7,8]. Bu çalışmada, literatürdeki çalışmalara ek olarak BK kontrol sinyalinin MF performansı değişimlerine göre kendini ayarlayabilmesi sağlanmaktadır. Tasarlanan Kendini Ayarlayabilen Bulanık Kontrol (KABK) sistemi FPGA üzerinde gerçekleştirilmiştir. KABK ve BK ile MF performansının değişimine tepkileri incelenmiştir. 2. Manyetik Filtre Bu çalışmada TÜBİTAK 1001 Bilimsel Araştırma Projesi desteği ile Selçuk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Elektromanyetik Filtre Laboratuvarında gerçekleştirilen Manyetik Filtre Kiti kullanılmıştır. Endüstriyel sıvıların temizlenmesinde kullanılan bu MF kiti, atık deposu, güç üniteleri, MF bobin ve matrisleri, parçacık sensörleri, akışmetre ve kontrol ünitelerini barındırmaktadır. MF kitinin b d 740
bu çalışmada kullanılan üniteleri ve kontrol sisteminin çalışma prensibi Şekil 2 de verilmiştir. Güç Ünitesi MF S 1 PWM Endüstriyel sıvı DAC FPGA Sıvısı Filtrelenecek Sistem MF ADC S 1- S 2 sensör devreleri Şekil 2: Manyetik filtre kontrol sisteminin çalışma prensibi. Şekilde görülen fiziksel yapı filtreleme uygulanacak sistemden gelen endüstriyel sıvının MF de temizlendikten sonra çıkışa aktarılması olarak özetlenebilir. Giren parçacık sensörü (S 1 ) ve çıkan parçacık sensöründen (S 2 ) elde edilen sinyaller, alınan verileri enstrümantasyon yükselteci işlemine tabii tutmak için sensör devrelerine aktarılmaktadır. Sensör devrelerinden alınan analog bilgiler paralel çıkışlı ADC arayüz kartı ile FPGA'ya iletilmektedir. FPGA üzerinde çalışan kontrol sistemi çıkışı ile manyetik akının kontrolü yapılmaktadır. FPGA ile oluşturulan kontrolörün çıktısı olan PWM referans gerilimi DAC kartı ile PWM devresine analog olarak iletilmektedir. Referans gerilimine bağlı olarak PWM ile filtre bobinine uygulanacak olan gerilim kontrol edilmiştir. Bobindeki gerilimin değişimi ile MF'nin manyetik akısının kontrolü sağlanmaktadır [8]. Bir MF nin Performansı (ψ), (1) denklem ile elde edilmektedir [2]. ( ) ( ) Temizlenen sıvı S 2 (1) 3. Bulanık Kontrolör Tasarımı Şekil 3 de işleyiş yapısı gösterilen KABK [9] MF kontrol sistemine uygulanmıştır. BK lar prosesin optimal olarak kontrolü için yaygın olarak kullanılmaktadır [9,10]. MF kontrolü için PI-tip BK ile MF performansındaki değişim (e=p ref -P) ve bu değişimin türevi (de=e k -e k-1 ) giriş değişkenleri olarak kullanılırken, kontrol çıkışındaki değişim miktarı (du) çıkış olarak kullanılmaktadır. Giriş ölçeklendirme katsayılarının (G e, G de ve G u ) uygun değerlerinin seçimi MF kontrolü hakkındaki uzman bilgi ve deneme-yanılma metodu kullanılarak oluşturulmuştur. KABK un tasarımında aynı kazanç ilkesi kullanılmıştır. Bu çalışmada giriş ölçeklendirme katsayıları sabit tutulurken çıkış ölçeklendirme katsayısı MF performansındaki değişime bağlı olarak kazanç güncelleme katsayısı (α) ile sürekli olarak ayarlanmaktadır. KABK nın çıkış ölçeklendirme katsayısı (2) nolu denklemde belirtildiği gibi her örnekleme periyodunda α gibi bir kazanç güncelleme katsayısının çarpımı ile elde edilmektedir [9]. ( ) (2) BK nın çıkış ölçeklendirme katsayısını ayarlayan kazanç ayarlama sistemi kesikli çizgiler ile Şekil 3 de belirtilmiştir. Kontrol girişlerinin tüm üyelik fonksiyonları (e,de) ve kontrol çıkışındaki değişim miktarı (du) [-1,1] normalize aralığında NB (Negatif Büyük), NO (Negatif Orta), NK (Negatif Küçük), S (Sıfır), PK (Pozitif Küçük), PO (Pozitif Orta), PB (Pozitif büyük) ile tanımlanmıştır (Şekil 4). Kazanç güncelleme katsayısını (α) hesaplamak için kullanılan üyelik fonksiyonları [0,1] normalize aralığında S (Sıfır), ÇK (Çok Küçük), K (Küçük), KB (Küçük Büyük), OB (Orta Büyük), B (Büyük), ÇB (Çok Büyük) ile tanımlanmıştır (Şekil 5). Kural Tabanı 1 Z -1 e -1 P ref e - P - de G de G e de n e n Kontrol için Kurallar Veritabanı Bulanıklaştırma Durulaştırma du n Gu.α du u -1 Z -1 u α için Kurallar Bulanıklaştırma Durulaştırma α Performans ÇPM GPM Kural Tabanı 2 Manyetik Filtre S 2 S 1 Güç Ünitesi Şekil 3: Tasarlanan kontrol sisteminin blok diyagramı. 741
Tablo 2: α için kural tabanı Şekil 4: e,de,du için üyelik fonksiyonları. de \ e NB NO NK S PK PO PB NB ÇB ÇB ÇB B KB K S NO ÇB ÇB B B OB K ÇK NK ÇB OB B ÇB ÇK K ÇK S K KB OB S OB KB K PK ÇK K ÇK ÇB B OB ÇB PO ÇK K OB B B ÇB ÇB PB S K KB B ÇB ÇB ÇB Şekil 5: α için üyelik fonksiyonları. 4. Tasarlanan Kontrolörün MF Kitine Uygulanması FPGA üzerinde programlanan KABK MF kiti üzerinde denenmiştir. Deney süresince elde edilen GPM, ÇPM, performans değeri, PI-tip BK çıkışı ve KABK çıkış değerleri RS-232 portu kullanılarak bilgisayara aktarılmış ve Şekil 6 da görülen yazılım aracılığı ile kaydedilmiştir. PI-tip BK nın çıkışı (3) nolu denklemde belirtildiği şekilde hesaplanmaktadır. ( ) ( ) ( ) (3) Burada k örnekleme katsayısı, du ise kontrol çıkışına uygulanacak olan değişim miktarıdır. du yu hesaplamakta kullanılan kural tabanı Tablo 1 de verilmiştir. α ise Tablo 2 de verilen kural tablosu ile hesaplanmaktadır [9]. Bu çalışmada Max-Min çıkarım ve ağırlıklı ortalama durulaştırma metotları kullanılmıştır. Tasarlanan KABK, Manyetik Filtreler için FPGA Tabanlı Bulanık Kontrolör Tasarımı isimli çalışmadaki yapı kullanılarak oluşturulmuştur [11]. Gerçekleştirilen kontrolör yazılımı Cyclone II FPGA ya uyarlanmıştır. Elde edilen sentez sonuçlarına göre 68416 Lojik elementin 27081 i kullanılmıştır. MF kontrolü için gerekli işlemeler kullanılan FPGA nın %39 unu kaplamaktadır. Tablo 1: du için kural tabanı de \ e NB NO NK S PK PO PB NB NB NB NB NO NK NK S NO NB NO NO NO NK S PK NK NB NO NK NK S PK PO S NB NO NK S PK PO PB PK NO NK S PK PK PO PB PO NK S PK PO PO PO PB PB S PK PK PO PB PB PB Şekil 6: MF veri toplama yazılımının ekran görüntüsü. Performans değişimine göre kendisini ayarlayabilen bu kontrolörün MF sistemine etkisini görebilmek ve MF nin dolma sürecinde veya yüksek akış hızında oluşan filtrelenemeyen parçacıkları temsil edebilmek için, daha önceden hazırlanan nanogram düzeyindeki demir tozları kullanılarak, giren parçacık sensörü sabit bir değerde tutulurken farklı miktarlardaki demir tozları çıkan parçacık sensörüne el ile etki ettirilmiştir. Bu yöntem ile MF performansının düştüğü durumlarda kontrolörün etkisinin gözlenmesi amaçlanmıştır. Deney süresince GPM ve ÇPM lerin değişimi Şekil 7 de verilmiştir. Çıkan parçacık sensörüne belirli aralıklar ile artan 742
miktarda uygulanan demir tozunun etkisi ÇPM de görülmektedir. 5. Sonuçlar Bu çalışmada MF yi kontrol etmek için PI-tip BK ve KABK olmak üzere FGPA tabanlı iki adet bulanık kontrolör gerçekleştirilmiştir. MF sistemine önerilen bu kontrolörlerin en önemli özelliği, MF performansına bağlı olarak çalışmaları ve bu sayede MF performansının düşmesine neden olan tüm faktörlere tepki verebilmeleridir. Ayrıca MF performans değişimine KABK ve PI-tip BK nın verdiği tepkiler incelenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. MF performans hatasının değişiminin büyüklüğüne bağlı olarak kazanç güncelleme katsayısı (α) arttırıldığından dolayı KABK nın PI-tip BK dan daha uygun tepki verdiği görülmektedir (Şekil 10). Şekil 7: Giren ve Çıkan parçacık miktarlarının değişimi. Deney Süresince performansın değişimine karşılık PI-tip BK nın çıkışı Şekil 8 de ve KABK nın çıkışı Şekil 9 da verilmiştir. Deney süresince referans performans değeri %90 olarak alınmıştır. Şekil 8 incelendiğinde performans hatasının her işlemde arttırılmasına karşılık PI-tip BK nın çıktısının aynı oranda artmadığı görülmektedir. Şekil 9 da ise KABK nın filtreye uyguladığı manyetik akı yoğunluğunu performans hatasına göre artış göstermektedir. Şekil 10: PI-tip BK ile KABK çıkışlarının karşılaştırılması. Hazırlanan bu kontrol sistemine MF performansına etki eden (endüstriyel sıvının akış hızı vb. gibi) diğer parametrelerin de dahil edilmesi ile, kontrolörün MF performansı düşmeden önce bu faktörlere tepki vermesi sağlanabilir. Ayrıca kontrolörün farklı endüstriyel sıvı ve MF ler için davranışı incelenerek daha gelişmiş kontrolörler tasarlanabilir. Şekil 8: PI-tip BK ve performansın zamana göre değişimi. Şekil 9: KABK ve performansın zamana göre değişimi. 6. Teşekkür Bu çalışma, TÜBİTAK (109E037 nolu proje) tarafından desteklenmiştir. 7. Kaynakça [1] T. Abbasov, Elektromanyetik Filtreleme İşlemleri, Seçkin Yayıncılık, Ankara, 2002. [2] I. Sarıtas, I.A. Ozkan, S. Herdem, The effects of fuzzy control of magnetic flux on magnetic filter performance and energy consumption, Expert Systems with Applications, Volume 37, Issue 12, Pages 7542-7551, December 2010. [3] I. Saritas, Endüstriyel sıvıların temizlenmesi için manyetik filtre tasarımı ve yapay zeka yöntemleriyle filtrenin adaptif kontrolü, Doktora Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008. [4] T. Abbasov, ve B. Rüzgar, Yüksek Gradyanlı Alanlarda Manyetik Taşıyıcıların Hedeflendirilmesi Yöntemi Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 11. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, İstanbul, cilt 1, s. 99-101, 2005. [5] H. Okada, T. Tada, A. Chiba, K. Mitsuhashi, H. Wada, High Gradient magnetic Seperation for Weakly 743
Magnetized Fine Particles, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.12, pp. 967-970, 2002. [6] T. Abbasov, ve K. Ceylan, Filter Performance and Velocity Distribution Relation in Magnetic Filtration of Non-Newtonian Liquids, Separation Science and Technology, 34(11), s. 2177 2189, 1999. [7] I. Sarıtas, I.A. Ozkan, S. Herdem, Design of Fuzzy Expert System for Magnetic Filter Performance According to Magnetic Field, 5th International Conference on Electrical and Electronics Engineering ELECO 2007, pp. 401-405, Bursa, 2007. [8] İ.A Özkan, İ. Sarıtaş, S. Herdem, The control of magnetic filters by FPGA based fuzzy controller, Energy Education Science & Technology (Part A), Vol.29 (2), 1093-1102, 2012. [9] R.K. Mudi ve N.R. Pal, A self-tuning fuzzy PI controller, Fuzzy Sets and Systems, 115, 327-338, 2000. [10] A.V. Akkaya, A. Sağırlı, M.E. Boğuçlu, Taşıt Süspansiyon Sisteminin Kendini Ayarlayabilen Bulanık Mantık ile Kontrolü, Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Cilt: 2, Sayı: 2, s:82-91, 2004. [11] İ.A. Özkan, İ. Sarıtaş, S. Herdem, Manyetik Filtreler için FPGA Tabanlı Bulanık Kontrolör Tasarımı, Selçuk Teknik Online Dergisi, Cilt: 10, Sayı: 3, s:271-284, 2011. 744