Otomasyon (Automation)
Ziyaretçi
Otomasyon
Vikipedi, özgür ansiklopedi
Otomasyonun Tanımı, Sınıflandırılması, Kullanım Alanları
Otomasyonu (Özdevinim) dar anlamda otomatik kontrol olarak tanımlayabiliriz. Genis anlamda ise isin insan ile ekipman arasında paylasılmasıdır. Toplam isin paylasım yüzdesi otomasyon düzeyini belirler. Düsük düzey islerin çogunlugunun insan tarafından, yüksek düzey ise makineler tarafından yapıldıgı durumu anlatır. Ancak islerin nitel açıdan paylasımı da önem tasır. İsi yapabilmek için enerjinin yanı sıra düsünceye de gereksinim bulunur. Otomasyonun ilk ortaya çıkısı endüstri devriminin hemen ardından olmus ve kas gücünün yerini alan düzenekler gelistirilmistir. Ancak salt kas gücünü ikame etmek insanı isten soyutlamamaktadır. Günümüzün nitelikli is ortamını otomatize edebilmek için insan yerine düsünebilen, hatta bu isi insandan daha iyi yapabilen sistemler olusturmak gerekmektedir. Yapay zeka olarak ifade edilen bu çalısma alanı sadece üretim sektörünü degil, savas endüstrisini ve sosyal yasamı da etkileyecek bulus ve uygulamalarla ilgilenmektedir. Otomasyon öncesi dönemde isin nitel ve nicel sınırları insan tarafından belirlenmekte idi. Ancak otomasyon veya teknoloji insanın bazı yetersizliklerini giderebilecek, böylelikle üretim sınırlarını çok daha genisletmeyi saglayacak bir düzeye gelmistir. Bu yetersizlikler insanın tepki süresinin uzunlugu, insanın veri isleme kapasitesinin sınırlı olması, insanın is üretme hızının düsüklügü, insanın tekrarlı islerde tutarlıgı sürdüremeyip sapmalara neden olması ve insanın konsantrasyon süresinin kısalıgıdır. Günümüzde bu yetersizliklerin giderilmesini saglayan pek çok çözüm uygulanmaktadır. Ancak yine de otomasyon sistemleri çok basit islerde, örnegin portakal soyma ve çok komplike islerde, örnegin uçak kullanımı, insanın yerini tamamen alamamaktadır.
Bilim Tarihi Açısından Otomatik Kontrol
Buhar gücünün kesfi ile mekanik sistemlerin programlandıgı sekilde hareket etmesini ve hataların düzeltilmesini saglayan denetim kavramı gelismeye baslamıstır. Elektrigin kesfinden önce, "tümüyle mekanik" denetim sistemleri kullanılmıstır. Basit bir örnek olarak James Watt'ın 1769 yılında kullandıgı "uçantop denetleyicisi" gösterilebilir. "Motor hızlandıkça merkezkaç kuvvetiyle açılan topa baglı bir kolun, mekanik manivelalarla motora giren buharı kısması ve böylece hızın sabit tutulmasını saglayan geri besleme sistemleri gösterilebilir. Bu alanda oldukça gelisme saglanmıs, çok karmasık makineler yapılmıs, ve bir anlamda "Mekanik Bilgisayar" diyebilecegimiz tümüyle mekanik hesaplama ve kontrol sistemleri gelistirilmistir. Daha sonra elektrigin kesfi ile elektriksel sistemler ve bunların denetimi gelismis; mekanik sistemlerin denetim fonksiyonunun dahi elektriksel platformda yapılması saglanarak çok daha karmasık sistemlerin denetlenmesi mümkün olabilmistir. Elektronik devrelerin kullanılması sonucunda basitlesen kontrol uygulamaları, daha fazla teorik çalısmaların yapılmasını saglamıs, matematiksel kontrol kuramı gelismistir. Batı dünyasında frekans domeninde büyük gelismeler yapılmıs, Bode, Nyquist gibi önemli kontrol kuramı teorisyenleri yetismistir. Dogu blokundaki çalısmalar daha çok zaman domeninde sınırlı kalmıstır. İkinci Dünya savası sırasında bilhassa pilotsuz uçakların, atıs kontrol sistemlerinin, radar anten kontrol sistemlerinin ön plana çıkması ile otomatik kontrolün önemi iyice öne çıkmıstır. Savas öncesinde matematiksel model katsayılarının deneme yanılma ile bulunması genel uygulama iken, örnegin bir pilotsuz uçagın deneme yanılma ile gelistirilmesi çok sayıda uçak kaybına neden olacagından, matematiksel modelin teorik olarak dogru saptanmasının önemi artmıs ve kontrol kuramı matematiksel olarak geliserek temel bir bilim disiplini haline gelmistir. İkinci dünya savası sonrasında da frekans domeni teknikleri gelismeye devam etmis, karmasık frekans "s degiskeni" yaklasımı ve Laplace degiskeni yöntemi kullanılmıs, sistem kararlılıgını test eden Kök Yer Egrisi yaklasımı gelistirilmistir. Daha sonra sanayilesmenin hızlanması ve buna karsılık isçi haklarının önem kazanması ile "isçiye daha fazla olanak verirken, maliyeti en aza indirmek" yolu aranmıs; fabrikalarda en az isgücünü gerektiren robotlarla ve otomasyonla üretim ön sırayı almıstır. 1980'lerde bilgisayarların gelismesi ve küçülmesi ile her alanda bilgisayar kullanımı, karmasık hesaplamaların derhal yapılabilmesini olanaklı kılmıstır. Böylece gerektiginde kendi hatalarını düzelten "gürbüz denetim sistemleri" teorisi ve uygulaması gelistirilmistir. 1990'lardan itibaren uzay gemilerinden robot denetimine, en ince detayda çalısma gerektiren hassas üretimlerde, insan elinin giremeyecegi boyutta üretim ve islem sahalarında (tıpta vücudu açmadan artroskopik operasyonlarda), genlerin denetiminde en yeni teknolojik yeniliklerle, otomatik kontrol kavramlarının dogrudan uygulanmadıgı alan kalmamıstır.
Otomatik Kontrol'un Teori ve Uygulamalarının Asamaları
Otomatik kontrol bilimi, fiziksel kontrol sisteminin matematiksel olarak kurulmasını, matematik dünyasında çözümlendikten sonra fiziksel uygulamada kullanılmasını sagladıgı için "fiziksel sistemin yapısı" ile "matematiksel modelleri" arasındaki baglantı ve ayrıma dikkat çekmek gereklidir.
1. Matematiksel Modelleme
Kontrol edilecek sistemin tüm davranıslarının matematiksel formüllere çevrilmesidir. Aynı fiziksel sistemin çok degisik matematiksel modeli kurulabilir. Her model belirli varsayımlar tasıdıgı için hiçbir model fiziksel sistemin tam modeli degildir. Basitlestirilmis modelleri, lineerlestirilmis modelleri kullanılabilmektedir. Hatta birbirinin tam esdegeri olmakla birlikte farklı gösterimdeki modelleri kullanılabilmektedir. Bir sistemin türevsel denklemi modeli ile durum denklem takımı modeli, birbirinin esdegeri ama farklı biçimdeki modelleridir. Bir elektrik devresinin sabit bir frekanstaki sinüzoidal uyarıya tepkisinin genlik ve açısını bulmayı önemsiyorsak fazör modelini kullanabiliriz; farklı frekanslara verecegi tepkinin genligini önemsiyorsak süzgeç devresi modellemesini kullanmalıyız.
2. Matematiksel Analiz ve Tasarım
Matematiksel model üzerinde yapılan bilimsel çalısmalarla, hangi islemlerle istenen davranısın elde edilebilecegi arastırılır ve matematiksel olarak çözümlenir. Sonsuz denecek sayıda farklı modelin, sonsuz denecek sayıda farklı tekniklerle analizi, istenen davranısı verecek düzenlemelerin matematiksel olarak saptanması üzerinde 50 yıldır bilimsel çalısmalar yapılmakta, tasarımlar gelistirilmektedir.
Sistemin Tasarımı ve Kurulması
Matematiksel dünyada kurgulanmıs çözüm, fiziksel sistem üzerinde kurulur. Yukarıda da bahsedildigi gibi, bir mekanik sistemde istenen geri besleme baglantısı salt mekanik dünyada yapılabildigi gibi elektriksel platformda yapılıp mekanik dünyaya baglantısı yapılabilir. Bu nedenle bu islemde de farklı alternatifler söz konusudur. Yukarıdaki asamaların basarı ile kullanılabilmesi için, Otomatik Kontrol bilim adamı öncelikle çok iyi bir matematikçi, ve bunun yanında çok iyi bir elektronikçi ve/veya mekanikçi olmalıdır.
Kural Tabanlı Kontrol Sistemleri
Bilgisayarların ve mikroislemcilerin küçülmesi, ucuzlaması, ve hızlanması ile her sistemin kendi bilgisayarını ya da mikroislemcisini tasıması mümkün olmustur. Otomatik kontrol biliminin karmasıklıgı, insanları daha kolay çözümlere itmis ve sistemin ayrıntılı matematiksel özelliklerini bilmeden de sistemleri ise yarar sekilde çalıstıracak daha sade çözümlerin arayısına yöneltmistir. Bilgisayar ya da PLC (Programlanabilir mantık denetleyiciler, sisteme özel mikroislemci) kullanarak ve "kural tabanı" ismi verilen talimatların mikroislemciye programlanması ile; istenen sonuçtan sapmaların, giris degiskeninde ayarlama yaparak derhal düzeltilmesi saglanabilmektedir. Konunun daha iyi anlasılabilmesi için asagıdaki basit ve yararlı örnek sunulmustur: Bir üretim fırınının sıcaklıgının 110 derecede kalması için mikroislemciye verilen asagıdaki kurallar bütününe "kural tabanı" ismi verilmektedir: Sıcaklık 110 derece ise ısıtıcı ayarını degistirme, Sıcaklık 100 derece ise ısıtıcı ayarını 1 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ısıtıcı ayarını 2 kademe artır, Sıcaklık 120 derece ise ısıtıcı ayarını 1 kademe azalt, Sıcaklık 130 derece ise ısıtıcı ayarını 2 kademe azalt, gibi kurallar verilerek sıcaklıgın 110 derece yakınında kalması saglanmaktadır. Daha hassas islem yapmak için sıcaklık yanında sıcaklıgın artıs/azalıs durumu da kurallar kümesine eklenebilir. Sıcaklık 110 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe azalt, Sıcaklık 110 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe artır, Sıcaklık 100 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe artır, Sıcaklık 100 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 1.5 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 1.5 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 2.5 kademe artır, Mikroislemcilerin hafıza ve hızlarının yukarıdaki islemler için fazlasıyla yeterli olması nedeniyle derece denetim aralıkları çok daha dar tutulabilir ve sıcaklık artıs hızına göre daha detaylı komutlar verilebilir. Dıs sıcaklıga göre, günün saatine göre, üretim programındaki aciliyete göre fonksiyonel ek kurallar (komutlar) da eklenebilir.. Bu tür kurallarla yapılan denetime "Kural Tabanlı Denetim" (Rule Based Kontrol) adı verilmektedir. "Akıllı Denetim" olarak da adlandırılan bu tür denetim kullanarak, sistemin yapısı hakkında minimum matematik bilgisiyle ve sistemin matematiksel modelini, kararlılık durumunu bilmeden, deneme yanılma ile ölçüm sınırları ve ayar kademeleri saptanmakta ve kullanılabilir bir denetim fonksiyonu elde edilebilmektedir. Ölçüm aralıkları daha sık alınırsa ve ayar kademeleri daha iyi ön çalısma ile daha iyi saptanırsa daha basarılı sonuçlar alınabilmektedir. Kontrol sistemlerinin mikroislemcilerinde (PLC'lerde) büyük gelismeler saglanmıs, mikroislemci programlama dilini bilmeden, menülerinden seçerek hangi saatler arasında, hangi giris ve çıkıs kosullarında ne davranıs verecegini menülerden seçerek programlayan özel uygulama amacına dönük mikroislemciler üretilmis, PC tabanlı çalısan programlar gelistirilmistir. Günümüzde fabrikalardaki otomatik kontrol uygulamalarına "Fabrika Otomasyonu", akıllı bina sistemlerindeki uygulamalara "Bina Otomasyonu" isimleri verilmektedir ve bu otomasyon uygulamalarının hemen tümüne yakın kısmı kural tabanlı kontrol sistemleri ile saglanmaktadır. Bu sayısal kontrol sistemleri, fabrika otomasyonunda kullanıldıgında üretimin tüm asamalarında görev almakta, imalat planlamasına da yardımcı olmaktadır. Otomatik kontrolün amacı sistemin degisken büyüklüklerini arzu edilen degerlerde tutarak kararlı bir çalısma ortamı olusturmaktır. Sistem, bir bütünü olusturan, birbiri ile baglı olan ya da belirli bir islev için bir araya getirilmis olan elemanların düzenine ya da kümesine denir. Kontrol sistemi: Kendisini ya da baska bir sistemi, düzenlemek, kumanda etmek ya da yönetmek üzere uygun bir biçimde baglanmıs fiziksel elemanlar kümesidir.
Kontrol Sistemlerinin Türleri
Çıkısın ya da kontrol edilen büyüklügün kumanda edilmesi bakımından kontrol sistemleri açık çevrim kontrol sistemleri ve kapalı çevrim kontrol sistemleri olarak iki sınıfa ayrılır.
A. PID [Proportional(oransal), Integral(integral), Derivative(türev)] Kontrolör
PID kontrolör oransal (Proportional), integral (Integral) ve türev (Derivative) elemanlarının toplamından olusur. Her üç kısım kullanılabilecegi gibi bir ya da iki kısım dakullanılabilir. O zaman P, I, D, PI, PD kontrolör olarak adlandırılır. Kontrolörlere toplayıcı, çıkarıcı, yükseltici, zayıflatıcı, türev ve integral alıcı gibi elemanlar ilave edilebilir.
U = Kpe + Kl (buraya integral işareti konacak)e dt + Kd de/dt
Kp = Oransal Verim
Kl = ?İntegral Verim
KD = Türevsel Verim
e = hata
B. Ziegler-Nichols Metodu
Bazı sistemlerde transfer fonksiyon modelini saptamadaki zorluk, optimum kontrolör kazanç degerlerini hesaplamanın deneysel yolunu bulmaya itmistir. En çok kullanılan yöntem Ziegler-Nichols yöntemi, iki ayrı yöntemden olusur. İlk yöntem sistemin açık çevrim basamak cevabına, ikincisi kontrolör ile sistemin deneysel olarak incelenmesi ve sonuçlarına ihtiyaç duyar. Sistemin modeli degistirilse dahi bu yöntemi kullanmak oldukça yararlıdır. Ziegler- Nichols kurallarına göre tasarlanmıs kontrolörlerin salınımlı ancak ikinci asım birinci asımın % 25 inden küçük olacak sekilde , yeterli derecede sönümlü yanıt verdigini belirlemislerdir. Buna çeyrek söndürme kriteri denir. Uygulanan kriter :
J = (buraya integral işareti konacak)|'e(t)|' dt =(buraya integral işareti konacak)|' 'r(t)-y(t)'| dt
Sensör
Algılayıcı veya dedektör olarak da adlandırılan sensörler, genel anlamda, herhangi bir kaynaktan gelen sinyal ya da uyarıyı alan veya cevaplayan devre elemanlarıdır. Böyle bir devrede veya sistemde :
· Algılanacak bir malzeme (katı, sıvı veya gaz)
· Sensör
· Algılanacak bir isaret olmalıdır
. Elektrik, ısık, sıcaklık, vs. gibi
· Algılanan bu isaretleri anlasılabilir verilere dönüstürülebilen çıkıs isaretleri olmalıdır. Yani sinyaller mV, akım, direnç vs. cinsinden degerlendirilebilecek verilere dönüstürülür.
· Çıkıs isaretlerini okuyan bir bilgisayar veya elektronik devre sistemi olmalıdır.
· Sonuçları bir kıyaslama veya referans yoluya degerlendiren bir kaydedici olmalıdır. Sensörlerin çesitli uyarı kaynakları vardır:
Elektriksel; yük, akım, gerilim, potansiyel siddeti, iletkenlik, geçirgenlik
Magnetik; alan, akı, geçirgenlik Mekanik : ivme, kuvvet, hız, basınç, moment, debi, viskozite
Optik; ısık dalgası, dalga hızı
Kimyasal; element
Isısal; sıcaklık, iletkenlik, akı
Akustik; ses dalgası bunlardan bazılarıdır.
Sensörler bu uyarı kaynaklarından aldıkları uyarıları çesitli degerlendirilebilir çıkıslar olarak ( örnegin volt olarak) bir kontrol sistemine gönderir. Günlük yasamın hemen her yerinde sensörler kullanım alanı bulur. Otomobil, uçak ve gemi gibi ulasım ve tasıma araçlarında , uydu ve iletisim sistemlerinde, buzdolabı, fırın, televizyon, bilgisayar gibi pek çok ev aletlerinde, hava içindeki zehirli gazların hangi sınırlarda oldugunun algılanmasında ve daha pek çok yerde sensörlerden yararlanılır.
Vikipedi, özgür ansiklopedi
Sponsorlu Bağlantılar
Otomasyonun Tanımı, Sınıflandırılması, Kullanım Alanları
Otomasyonu (Özdevinim) dar anlamda otomatik kontrol olarak tanımlayabiliriz. Genis anlamda ise isin insan ile ekipman arasında paylasılmasıdır. Toplam isin paylasım yüzdesi otomasyon düzeyini belirler. Düsük düzey islerin çogunlugunun insan tarafından, yüksek düzey ise makineler tarafından yapıldıgı durumu anlatır. Ancak islerin nitel açıdan paylasımı da önem tasır. İsi yapabilmek için enerjinin yanı sıra düsünceye de gereksinim bulunur. Otomasyonun ilk ortaya çıkısı endüstri devriminin hemen ardından olmus ve kas gücünün yerini alan düzenekler gelistirilmistir. Ancak salt kas gücünü ikame etmek insanı isten soyutlamamaktadır. Günümüzün nitelikli is ortamını otomatize edebilmek için insan yerine düsünebilen, hatta bu isi insandan daha iyi yapabilen sistemler olusturmak gerekmektedir. Yapay zeka olarak ifade edilen bu çalısma alanı sadece üretim sektörünü degil, savas endüstrisini ve sosyal yasamı da etkileyecek bulus ve uygulamalarla ilgilenmektedir. Otomasyon öncesi dönemde isin nitel ve nicel sınırları insan tarafından belirlenmekte idi. Ancak otomasyon veya teknoloji insanın bazı yetersizliklerini giderebilecek, böylelikle üretim sınırlarını çok daha genisletmeyi saglayacak bir düzeye gelmistir. Bu yetersizlikler insanın tepki süresinin uzunlugu, insanın veri isleme kapasitesinin sınırlı olması, insanın is üretme hızının düsüklügü, insanın tekrarlı islerde tutarlıgı sürdüremeyip sapmalara neden olması ve insanın konsantrasyon süresinin kısalıgıdır. Günümüzde bu yetersizliklerin giderilmesini saglayan pek çok çözüm uygulanmaktadır. Ancak yine de otomasyon sistemleri çok basit islerde, örnegin portakal soyma ve çok komplike islerde, örnegin uçak kullanımı, insanın yerini tamamen alamamaktadır.
Bilim Tarihi Açısından Otomatik Kontrol
Buhar gücünün kesfi ile mekanik sistemlerin programlandıgı sekilde hareket etmesini ve hataların düzeltilmesini saglayan denetim kavramı gelismeye baslamıstır. Elektrigin kesfinden önce, "tümüyle mekanik" denetim sistemleri kullanılmıstır. Basit bir örnek olarak James Watt'ın 1769 yılında kullandıgı "uçantop denetleyicisi" gösterilebilir. "Motor hızlandıkça merkezkaç kuvvetiyle açılan topa baglı bir kolun, mekanik manivelalarla motora giren buharı kısması ve böylece hızın sabit tutulmasını saglayan geri besleme sistemleri gösterilebilir. Bu alanda oldukça gelisme saglanmıs, çok karmasık makineler yapılmıs, ve bir anlamda "Mekanik Bilgisayar" diyebilecegimiz tümüyle mekanik hesaplama ve kontrol sistemleri gelistirilmistir. Daha sonra elektrigin kesfi ile elektriksel sistemler ve bunların denetimi gelismis; mekanik sistemlerin denetim fonksiyonunun dahi elektriksel platformda yapılması saglanarak çok daha karmasık sistemlerin denetlenmesi mümkün olabilmistir. Elektronik devrelerin kullanılması sonucunda basitlesen kontrol uygulamaları, daha fazla teorik çalısmaların yapılmasını saglamıs, matematiksel kontrol kuramı gelismistir. Batı dünyasında frekans domeninde büyük gelismeler yapılmıs, Bode, Nyquist gibi önemli kontrol kuramı teorisyenleri yetismistir. Dogu blokundaki çalısmalar daha çok zaman domeninde sınırlı kalmıstır. İkinci Dünya savası sırasında bilhassa pilotsuz uçakların, atıs kontrol sistemlerinin, radar anten kontrol sistemlerinin ön plana çıkması ile otomatik kontrolün önemi iyice öne çıkmıstır. Savas öncesinde matematiksel model katsayılarının deneme yanılma ile bulunması genel uygulama iken, örnegin bir pilotsuz uçagın deneme yanılma ile gelistirilmesi çok sayıda uçak kaybına neden olacagından, matematiksel modelin teorik olarak dogru saptanmasının önemi artmıs ve kontrol kuramı matematiksel olarak geliserek temel bir bilim disiplini haline gelmistir. İkinci dünya savası sonrasında da frekans domeni teknikleri gelismeye devam etmis, karmasık frekans "s degiskeni" yaklasımı ve Laplace degiskeni yöntemi kullanılmıs, sistem kararlılıgını test eden Kök Yer Egrisi yaklasımı gelistirilmistir. Daha sonra sanayilesmenin hızlanması ve buna karsılık isçi haklarının önem kazanması ile "isçiye daha fazla olanak verirken, maliyeti en aza indirmek" yolu aranmıs; fabrikalarda en az isgücünü gerektiren robotlarla ve otomasyonla üretim ön sırayı almıstır. 1980'lerde bilgisayarların gelismesi ve küçülmesi ile her alanda bilgisayar kullanımı, karmasık hesaplamaların derhal yapılabilmesini olanaklı kılmıstır. Böylece gerektiginde kendi hatalarını düzelten "gürbüz denetim sistemleri" teorisi ve uygulaması gelistirilmistir. 1990'lardan itibaren uzay gemilerinden robot denetimine, en ince detayda çalısma gerektiren hassas üretimlerde, insan elinin giremeyecegi boyutta üretim ve islem sahalarında (tıpta vücudu açmadan artroskopik operasyonlarda), genlerin denetiminde en yeni teknolojik yeniliklerle, otomatik kontrol kavramlarının dogrudan uygulanmadıgı alan kalmamıstır.
Otomatik Kontrol'un Teori ve Uygulamalarının Asamaları
Otomatik kontrol bilimi, fiziksel kontrol sisteminin matematiksel olarak kurulmasını, matematik dünyasında çözümlendikten sonra fiziksel uygulamada kullanılmasını sagladıgı için "fiziksel sistemin yapısı" ile "matematiksel modelleri" arasındaki baglantı ve ayrıma dikkat çekmek gereklidir.
1. Matematiksel Modelleme
Kontrol edilecek sistemin tüm davranıslarının matematiksel formüllere çevrilmesidir. Aynı fiziksel sistemin çok degisik matematiksel modeli kurulabilir. Her model belirli varsayımlar tasıdıgı için hiçbir model fiziksel sistemin tam modeli degildir. Basitlestirilmis modelleri, lineerlestirilmis modelleri kullanılabilmektedir. Hatta birbirinin tam esdegeri olmakla birlikte farklı gösterimdeki modelleri kullanılabilmektedir. Bir sistemin türevsel denklemi modeli ile durum denklem takımı modeli, birbirinin esdegeri ama farklı biçimdeki modelleridir. Bir elektrik devresinin sabit bir frekanstaki sinüzoidal uyarıya tepkisinin genlik ve açısını bulmayı önemsiyorsak fazör modelini kullanabiliriz; farklı frekanslara verecegi tepkinin genligini önemsiyorsak süzgeç devresi modellemesini kullanmalıyız.
2. Matematiksel Analiz ve Tasarım
Matematiksel model üzerinde yapılan bilimsel çalısmalarla, hangi islemlerle istenen davranısın elde edilebilecegi arastırılır ve matematiksel olarak çözümlenir. Sonsuz denecek sayıda farklı modelin, sonsuz denecek sayıda farklı tekniklerle analizi, istenen davranısı verecek düzenlemelerin matematiksel olarak saptanması üzerinde 50 yıldır bilimsel çalısmalar yapılmakta, tasarımlar gelistirilmektedir.
Sistemin Tasarımı ve Kurulması
Matematiksel dünyada kurgulanmıs çözüm, fiziksel sistem üzerinde kurulur. Yukarıda da bahsedildigi gibi, bir mekanik sistemde istenen geri besleme baglantısı salt mekanik dünyada yapılabildigi gibi elektriksel platformda yapılıp mekanik dünyaya baglantısı yapılabilir. Bu nedenle bu islemde de farklı alternatifler söz konusudur. Yukarıdaki asamaların basarı ile kullanılabilmesi için, Otomatik Kontrol bilim adamı öncelikle çok iyi bir matematikçi, ve bunun yanında çok iyi bir elektronikçi ve/veya mekanikçi olmalıdır.
Kural Tabanlı Kontrol Sistemleri
Bilgisayarların ve mikroislemcilerin küçülmesi, ucuzlaması, ve hızlanması ile her sistemin kendi bilgisayarını ya da mikroislemcisini tasıması mümkün olmustur. Otomatik kontrol biliminin karmasıklıgı, insanları daha kolay çözümlere itmis ve sistemin ayrıntılı matematiksel özelliklerini bilmeden de sistemleri ise yarar sekilde çalıstıracak daha sade çözümlerin arayısına yöneltmistir. Bilgisayar ya da PLC (Programlanabilir mantık denetleyiciler, sisteme özel mikroislemci) kullanarak ve "kural tabanı" ismi verilen talimatların mikroislemciye programlanması ile; istenen sonuçtan sapmaların, giris degiskeninde ayarlama yaparak derhal düzeltilmesi saglanabilmektedir. Konunun daha iyi anlasılabilmesi için asagıdaki basit ve yararlı örnek sunulmustur: Bir üretim fırınının sıcaklıgının 110 derecede kalması için mikroislemciye verilen asagıdaki kurallar bütününe "kural tabanı" ismi verilmektedir: Sıcaklık 110 derece ise ısıtıcı ayarını degistirme, Sıcaklık 100 derece ise ısıtıcı ayarını 1 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ısıtıcı ayarını 2 kademe artır, Sıcaklık 120 derece ise ısıtıcı ayarını 1 kademe azalt, Sıcaklık 130 derece ise ısıtıcı ayarını 2 kademe azalt, gibi kurallar verilerek sıcaklıgın 110 derece yakınında kalması saglanmaktadır. Daha hassas islem yapmak için sıcaklık yanında sıcaklıgın artıs/azalıs durumu da kurallar kümesine eklenebilir. Sıcaklık 110 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe azalt, Sıcaklık 110 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe artır, Sıcaklık 100 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 0.5 kademe artır, Sıcaklık 100 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 1.5 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ve artıyorsa ısıtıcı ayarını 1.5 kademe artır, Sıcaklık 90 derece ise ve azalıyorsa ısıtıcı ayarını 2.5 kademe artır, Mikroislemcilerin hafıza ve hızlarının yukarıdaki islemler için fazlasıyla yeterli olması nedeniyle derece denetim aralıkları çok daha dar tutulabilir ve sıcaklık artıs hızına göre daha detaylı komutlar verilebilir. Dıs sıcaklıga göre, günün saatine göre, üretim programındaki aciliyete göre fonksiyonel ek kurallar (komutlar) da eklenebilir.. Bu tür kurallarla yapılan denetime "Kural Tabanlı Denetim" (Rule Based Kontrol) adı verilmektedir. "Akıllı Denetim" olarak da adlandırılan bu tür denetim kullanarak, sistemin yapısı hakkında minimum matematik bilgisiyle ve sistemin matematiksel modelini, kararlılık durumunu bilmeden, deneme yanılma ile ölçüm sınırları ve ayar kademeleri saptanmakta ve kullanılabilir bir denetim fonksiyonu elde edilebilmektedir. Ölçüm aralıkları daha sık alınırsa ve ayar kademeleri daha iyi ön çalısma ile daha iyi saptanırsa daha basarılı sonuçlar alınabilmektedir. Kontrol sistemlerinin mikroislemcilerinde (PLC'lerde) büyük gelismeler saglanmıs, mikroislemci programlama dilini bilmeden, menülerinden seçerek hangi saatler arasında, hangi giris ve çıkıs kosullarında ne davranıs verecegini menülerden seçerek programlayan özel uygulama amacına dönük mikroislemciler üretilmis, PC tabanlı çalısan programlar gelistirilmistir. Günümüzde fabrikalardaki otomatik kontrol uygulamalarına "Fabrika Otomasyonu", akıllı bina sistemlerindeki uygulamalara "Bina Otomasyonu" isimleri verilmektedir ve bu otomasyon uygulamalarının hemen tümüne yakın kısmı kural tabanlı kontrol sistemleri ile saglanmaktadır. Bu sayısal kontrol sistemleri, fabrika otomasyonunda kullanıldıgında üretimin tüm asamalarında görev almakta, imalat planlamasına da yardımcı olmaktadır. Otomatik kontrolün amacı sistemin degisken büyüklüklerini arzu edilen degerlerde tutarak kararlı bir çalısma ortamı olusturmaktır. Sistem, bir bütünü olusturan, birbiri ile baglı olan ya da belirli bir islev için bir araya getirilmis olan elemanların düzenine ya da kümesine denir. Kontrol sistemi: Kendisini ya da baska bir sistemi, düzenlemek, kumanda etmek ya da yönetmek üzere uygun bir biçimde baglanmıs fiziksel elemanlar kümesidir.
Kontrol Sistemlerinin Türleri
Çıkısın ya da kontrol edilen büyüklügün kumanda edilmesi bakımından kontrol sistemleri açık çevrim kontrol sistemleri ve kapalı çevrim kontrol sistemleri olarak iki sınıfa ayrılır.
A. PID [Proportional(oransal), Integral(integral), Derivative(türev)] Kontrolör
PID kontrolör oransal (Proportional), integral (Integral) ve türev (Derivative) elemanlarının toplamından olusur. Her üç kısım kullanılabilecegi gibi bir ya da iki kısım dakullanılabilir. O zaman P, I, D, PI, PD kontrolör olarak adlandırılır. Kontrolörlere toplayıcı, çıkarıcı, yükseltici, zayıflatıcı, türev ve integral alıcı gibi elemanlar ilave edilebilir.
U = Kpe + Kl (buraya integral işareti konacak)e dt + Kd de/dt
Kp = Oransal Verim
Kl = ?İntegral Verim
KD = Türevsel Verim
e = hata
B. Ziegler-Nichols Metodu
Bazı sistemlerde transfer fonksiyon modelini saptamadaki zorluk, optimum kontrolör kazanç degerlerini hesaplamanın deneysel yolunu bulmaya itmistir. En çok kullanılan yöntem Ziegler-Nichols yöntemi, iki ayrı yöntemden olusur. İlk yöntem sistemin açık çevrim basamak cevabına, ikincisi kontrolör ile sistemin deneysel olarak incelenmesi ve sonuçlarına ihtiyaç duyar. Sistemin modeli degistirilse dahi bu yöntemi kullanmak oldukça yararlıdır. Ziegler- Nichols kurallarına göre tasarlanmıs kontrolörlerin salınımlı ancak ikinci asım birinci asımın % 25 inden küçük olacak sekilde , yeterli derecede sönümlü yanıt verdigini belirlemislerdir. Buna çeyrek söndürme kriteri denir. Uygulanan kriter :
J = (buraya integral işareti konacak)|'e(t)|' dt =(buraya integral işareti konacak)|' 'r(t)-y(t)'| dt
Sensör
Algılayıcı veya dedektör olarak da adlandırılan sensörler, genel anlamda, herhangi bir kaynaktan gelen sinyal ya da uyarıyı alan veya cevaplayan devre elemanlarıdır. Böyle bir devrede veya sistemde :
· Algılanacak bir malzeme (katı, sıvı veya gaz)
· Sensör
· Algılanacak bir isaret olmalıdır
. Elektrik, ısık, sıcaklık, vs. gibi
· Algılanan bu isaretleri anlasılabilir verilere dönüstürülebilen çıkıs isaretleri olmalıdır. Yani sinyaller mV, akım, direnç vs. cinsinden degerlendirilebilecek verilere dönüstürülür.
· Çıkıs isaretlerini okuyan bir bilgisayar veya elektronik devre sistemi olmalıdır.
· Sonuçları bir kıyaslama veya referans yoluya degerlendiren bir kaydedici olmalıdır. Sensörlerin çesitli uyarı kaynakları vardır:
Elektriksel; yük, akım, gerilim, potansiyel siddeti, iletkenlik, geçirgenlik
Magnetik; alan, akı, geçirgenlik Mekanik : ivme, kuvvet, hız, basınç, moment, debi, viskozite
Optik; ısık dalgası, dalga hızı
Kimyasal; element
Isısal; sıcaklık, iletkenlik, akı
Akustik; ses dalgası bunlardan bazılarıdır.
Sensörler bu uyarı kaynaklarından aldıkları uyarıları çesitli degerlendirilebilir çıkıslar olarak ( örnegin volt olarak) bir kontrol sistemine gönderir. Günlük yasamın hemen her yerinde sensörler kullanım alanı bulur. Otomobil, uçak ve gemi gibi ulasım ve tasıma araçlarında , uydu ve iletisim sistemlerinde, buzdolabı, fırın, televizyon, bilgisayar gibi pek çok ev aletlerinde, hava içindeki zehirli gazların hangi sınırlarda oldugunun algılanmasında ve daha pek çok yerde sensörlerden yararlanılır.
