OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAR
KONTROL SİSTEMLERİ GİRİŞ Son yıllarda kontrol sistemleri, insanlığın ve uygarlığın gelişme ve ilerlemesinde çok önemli rol oynayan bir bilim dalı haline gelmiştir. Bugün, modern ev ve bürolardaki ısıtma ve havalandırma sistem ya da düzenleri, otomatik kontrol yöntemleri yardımı ile ısıyı ya da ortamın nemini ayarlar. Endüstride, modern araç ve gereçlerde, otomatik kontrol sistemlerinin sayısız uygulamaları vardır. Örnek olarak üretilen ürünlerin niteliklerinin kontrolü, ilaç endüstrisinde ilaçların kontrolü, takım üreten makinelerin kontrolü, uçakların oto-pilot ile kontrolü, gemilerin kontrolü, modern gerilim regülatörleri, güdümlü araçların kontrolü, bilgisayarla kontrol, trafik kontrolü, robotlar ve kontrolleri, kimya endüstrisinde üretilen ürünlerin kontrolü vb. uygulamalara yer verebiliriz. Geniş bir görüş açısından bakıldığında, kontrol sistemleri teorisi, elektrik, makine, inşaat v.b. mühendisliklerin kapsamına giren sistemlerin kontrolüne uygulanabildiği gibi, değişik bilim dallarını ilgilendiren çevre sağlığı kontrolünde, canlıların davranışının incelenmesinde de kullanılabilir. 2
KONTROL SİSTEMLERİNİN TANIMLARI Sistem (System): Bir bütünü oluşturan, birbiri ile bağlı olan ya da belli bir işlev için bir araya getirilmiş olan elemanların düzenine (topluluğuna) ya da kümesine denir. Örnek :? Kontrol veya denetim (Control): Genellikle ayar eden, düzenleyen, yöneten ya da kumanda eden anlamına gelir. Başka deyişle, bir değişken niceliğin yada değişken nicelikler kümesinin önceden belirlenmiş bir koşula uyumunu sağlamaya yönelik olarak gerçekleştirilen işlemler bütünüdür. Örnek :? 3
KONTROL SİSTEMLERİNİN TANIMLARI Kontrol (Denetim) Sistemi (Control System): Kendisini ya da başka bir sistemi, düzenlemek, kumanda etmek ya da yönetmek üzere uygun bir biçimde bağlanmış fiziksel elemanlar kümesidir. Örnek :? Otomatik Denetim (Automatic Control): Bir sistemde denetim faaliyetlerinin insan girişimi olmaksızın önceden belirlenen bir amaca göre denetimi veya yönlendirilmesidir. Örnek :? 4
KONTROL SİSTEMLERİNİN TANIMLARI Örnek:? Giriş (Input): Sistemi, organı ya da kontrol edilecek düzeni kontrol etme amacı ile uygulanan işarettir. Başka deyişle, denetim sisteminden belli bir cevap almak üzere bir dış enerji kaynağından sisteme uygulanan uyarıdır. Çevremizde bulunan kontrol sistemine bakılırsa, giriş işareti, sistemin kumanda ya da kontrol işaretidir. Örnek:? 5
KONTROL SİSTEMLERİNİN TANIMLARI Örnek:? Çıkış (Output): Belli girişe ya da girişlere ilişkin olan sistemin çıkış işareti ya da çıkış işaretleridir. Başka deyişle, denetim sisteminden alınan gerçek cevaptır. Örnek:? Eğer sistemin bir girişi vebirçıkışı varsa, kontrol sistemine bir girişli ve bir çıkışlı sistem, eğer bu işaretler çok sayıda ise çok giriş ve çok çıkışlı sistem denir. 6
KONTROL SİSTEMLERİNİN TANIMLARI Bozucu Giriş (Disturbance Input): Sistemin denetlenen çıkışı üzerinde istenmeyen yönde etki yapan girişlerdir. Örnek:? Ayar Değeri (Set Value): Denetim sistemlerinde sabit bir kumanda değerinin ayarlandığı noktadır. Örnek:? Denetim Elemanı (Controller): Denetlenen sisteme uygulanacak uygun bir denetim sinyali sağlayan elemandır. Örnek:? 7
KONTROL SİSTEMİNİN AMAÇLARI Denetlenen sistemlerin çıkışlarını istenen sabit bir değerde tutmak (Sabit referans), Örnek:? Denetlenen sistemlerin çıkışlarını belli bir değişim formunu takip etmesini sağlamak (Değişken referans), Örnek:? Olaylarınbelirlibirsıra dahilinde oluşmasını sağlamak, Örnek:? 8 Kontrol edemediğimiz değişkenlerin bozucu etkisini düzeltmek, Örnek:?
KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ Çıkışın ya da kontrol edilen büyüklüğün kumanda edilmesi bakımından kontrol sistemleri iki türe ayrılır. 1.Açık çevrim kontrol sistemleri Girişindeki kumanda ya da kontrol işareti çıkıştan (kontrol edilen büyüklükten) bağımsız olan bir kontrol sistemidir. Fakat açık çevrim kontrol sistemlerinde çıkış,giriş işaretinin bir fonksiyonudur. 9
KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ 2. Kapalı çevrim kontrol sistemleri (Geri Beslemeli Kontrol) Girişindeki kumanda ya da kontrol işareti, çıkış işaretine ya da çıkış işaretinden üretilen bir işaretle bir referans işaret arasındaki farka ya da bunların toplamına bağlı olan bir kontrol sistemidir. Bu sistemlere geri beslemeli kontrol sistemleri de denir. 10 Kapalı çevrim - Geri beslemeli kontrol
11 KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ
KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ Kapalı çevrim - Geri beslemeli kontrol 12
KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ 3. Kapalı çevrim kontrol sistemleri (İleri Beslemeli Kontrol) Girişindeki kumanda yada kontrol işareti, bozucu işaretine yada bozucu işaretinden üretilen bir işaretle bir referans işaret arasındaki farka yada bunların toplamına bağlı olan bir kontrol sistemidir. 13
14 FİZİKSEL ÖRNEK
OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ SİSTEMLER VE MODELLER
ÇALIŞMA BİÇİMLERİNE VE UYGULAMA ALANLARINA GÖRE KONTROL SİSTEMLERİ Düzenleyici Kontrol : Başvuru girişinin (Referans girişinin) uzun zaman aralıkları içerisinde belli bir çalışma koşuluiçindeğişmez veya sabit tutulduğu geri beslemeli denetim sistemidir. Düzenleyici sistemde etki eden bozucu girişlere rağmen sistem çıkışının istenen değerde tutulması esastır. Sıcaklık kontrolü Seviye kontrolü Debi Kontrolü Basınç kontrolü 16
ÇALIŞMA BİÇİMLERİNE VE UYGULAMA ALANLARINA GÖRE KONTROL SİSTEMLERİ İzleyici kontrol : Takım tezgahında kesici bıçağın birşablonu izleyerek istenen parça biçimini işlemesidir. Konum denetimi adını da alır. Sanayide otomat veya kopyalama cihazı da denir. Anahtar kopyalama cihazları Yarı manuel CNC ler Servo mekanizma / Servo kontrol : Çıkışı konum, hız, ivme, moment olan geri beslemeli denetim sistemidir. Yürüyen bant üzerinde dolum tesisi Yürüyen bant üzerinde kesim tesisi (Uçan testere) 17
ÇALIŞMA BİÇİMLERİNE VE UYGULAMA ALANLARINA GÖRE KONTROL SİSTEMLERİ Adaptif Kontrol : Sistemin çalışmaya başlamasından itibaren işlem sonuna kadar sistemin aynı şekilde çalışmasını sağlar. Sistemin çalışması esnasında değişebilecek olan parametreleri dikkate alarak sistem üzerinde yeni düzenlemeler yaparak sistemin aynı şekilde çalışmasını sağlar. Örneğin rulman ısınması, motorun ısınması, kayış sisteminin ısınması sonucu sistemdeki değişimleri regüle eder. Öğrenmeli kontrol : Sistem çalışmadan önce çalışma esnasında sistemi öğrenir ve kontrol eder. 18
Örnek : Bir endüstriyel fırının sıcaklığı kontrol edilecektir. Şekilde verilen temel yapıya göre kontrol blok şemasını çiziniz? 19
1) Blok Diyagramının oluşturulması : 2) Transfer fonksiyonun elde edilmesi : 3) Kararlılık analizi : 20
KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI Sistem çıkışının laplace dönüşümünün, sistem girişi laplace dönüşümüne oranına transfer fonksiyonu adı verilir. Bu tanımda bütün ilk koşullar (t=0 anındaki ilk değerler) sıfır alınır. Kontrol sistemleri analiz ve sentezinde lineer ve zamanla değişmeyen matematiksel modeller için sistemin ilgilenilen giriş ve çıkışı arasına bir blok (kutu) konur. İlgilenilen giriş ve çıkış arasındaki ilişki (transfer fonksiyonu) bu blok içine yazılırsa bu sistemin blok diyagramının gösterilişi elde edilmiş olur. C(s) = R(s). G(s) G(s) = C(s) / R(s) 21
KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI Örnek 1: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? Örnek 2: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? Örnek 3: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? 22
KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI Örnek 4: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? Örnek 5: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? 23
KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI Örnek 6: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? Örnek 7: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? 24 Soruda birbirinden bağımsız iki giriş bulunmaktadır. Bu sebepten dolayı sorunun çözümünde süperpozisyon yöntemi uygulanır.
KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI a) D(s)=0 için C1(s) / R(s) =? b) R(s)=0 için C2(s) / D(s) =? C(s) = C1(s) + C2(s) 25
26 KONTROL SİSTEMLERİNİN BLOK DİYAGRAMLARI, İŞARET DİYAGRAMLARI, TRANSFER FONKSİYONLARI Örnek 8: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz?
OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI Örnek 9: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? 28
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI 1) ArdışıkBağlı Bloklar 2) Paralel Bağlı Bloklar 3) Geri Beslemeli Bloklar 29
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI 4)Toplama noktasını bir bloğun önüne kaydırma 5)Toplama noktasını bir bloğun arkasına kaydırma 6) Ayrılma noktasını bir bloğun önüne kaydırma 30
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI 7) Ayrılma noktasını bir bloğun arkasına kaydırma 8) Ayrılma noktasını bir toplama noktasının önüne kaydırma 9) Ayrılma noktasını bir toplama noktasının önüne kaydırma 31
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI 10)Toplama noktalarının yeniden düzenlenmesi 32
BLOK DİYAGRAM İNDİRGEME KURALLARI Örnek 9: Aşağıdaki açık çevrim blok diyagramının transfer fonksiyonunu bulunuz? Sırasıyla Kural 6, 1, 2 ve 7 uygulayalım. 33