KONTROLÖRLER ve KONTROL SİSTEMLERİ DERS 8 KONTROLÖRLER ve KONTROL SİSTEMLERİ

Açık devre kontrol (kumanda sistemleri) Kapalı devre kontrol (otomatik kontrol sistemleri)

Temel bir kontrol devresi Kontrol devresi için tipik bir örnek soğuk ve sıcak su vanalarının kontrolü ile karışımın istenen sıcaklığa getirilmesi olabilir. Kişi su sıcaklığını dokunarak hissedebilir veya ölçebilir. Aldığı geri besleme bilgisine göre çıkış suyunu istenen sıcaklıkta stabil hale getirmek suretiyle kontrol işlemini yapmış olur.

Temel bir kontrol devresi Vanayı çeviren kişi, kontrolördür. Hissedilen (ölçülen) su sıcaklığı, proses değişkenidir. İstenen sıcaklık ayar noktasıdır. Valf pozisyonu proses girdisi değişkenidir. Ölçülen sıcaklık ile istenen sıcaklık arasındaki fark, hata değişkenidir. Kişi hata miktarının azlığına veya çokluğuna göre proses girdisini ve genliğini düzenler.

Başlıca Kontrol tipleri Aç-kapa (On-off) Oransal (P) Oransal +integral (PI) Oransal+Diferansiyel (PD) Oransal+integral+Diferansiyel (PID) Bulanık mantık (Fuzzy logic)

On-off kontrol İki pozisyonlu kontrolörlerdir. (anahtarlar) sadece çalış ve dur olarak iki kontrol çıkışı üretilir. Hassasiyet gerekmeyen basit kontrol sistemlerinde kullanılırlar. Şekillerde elektrik akımı kontrol anahtarları ve bir boylerde su seviyesi kontrol sistemi görülmektedir.

On-off girdili oda sıcaklığı kontrolü Sıcaklık ayarlanan değerin üstündeyse ısıtıcı çalışmaz, üstünde değilse çalışır. On-off kontrol, sistemleri sürekli çalıştırıp durdurduğu için belli bir süre sonra sıklıkla mekanik arızalara neden olabilir. Bu arızalanma etkisini azaltmak için ölü band (histerezis boşluğu) denen referans değer aralığı kullanılır.

Ölü bandlı on-off kontrol Burada çıktı değişkeni referans değeri aşar aşmaz değil referans değerin üstünde önceden ayarlanan bir değeri aştığı zaman (off) sistem kapanır. Tam ters olarak çıktı değişkeni referans değerin altında belirlenen bir değerin altına düştüğünde de (on) sistem açılır. Böylece on-off değişimleri geciktirilerek mekanik sistemin çalışma durma sıklığı azaltılmış olur. Ancak negatif etki olarak ölü band arttıkça sistem çıktısının osilasyon genliği artar. Dolayısıyla kontrol edilen sistemin tipine göre optimum ölü band seçilmelidir.

(P) Oransal kontrol Bir lineer geri beslemeli kontrol sistemidir. Hata miktarına ve Kp kazanç katsayısına bağlı olarak oransal kontrol, denetleyici çıkışını üretir Sistemin statik doğruluğunu ve dinamik cevabını artırır. Vp = Kp * e + Vo e =hata Vo= Off-Set düzeltme katsayısı Vp=Kontrolcü Çıkışı Off-Set: Sistemin oturduğu değer ile set değeri arasındaki farka sapma (off-set) değeri denilir. Oransal kontrol yapılabilen bir değişken aralığı vardır buna oransal bant denir. Şekildeki şamandıra yüksekliği değişim bandı oransal bant dır.

Oransal kontrolör ile sıcaklık kontrolü örneği Set değeri 400 °C´ye ayarlanan, 1200 C ölçüm aralığı olan ve %5 oransal bant verilen bir oransal kontrol cihazında 370 °C ve 430 °C´ler bandın uç noktalarıdır. Kontrol cihazı düşük sıcaklıklardan başlamak üzere 370 °C´ye gelinceye kadar ısıtıcılara %100 enerji verilir, yani enerji tamamen acıktır. 370 °C´den itibaren set değeri olan 400 °C´ye kadar sıcaklık yükselirken ısıtıcıya verilen enerji yavaş yavaş oransal olarak kısılır. Eğer sıcaklık set değerini geçip yükselmeye devam edecek olursa 430 °C´ye kadar enerji giderek kısılır ve 430 °C´nin üzerine geçtiği taktirde artık enerji tamamen kapatılır. Sıcaklık düşerken de bunların tam tersi olacaktır.

Hayattan bir P kontrol, On-off kontrol karşılaştırması Kullandığınız aracın hızını kontrol etmek için tam güç gaza basarak hedeflenen hıza ulaştığınızda gazdan ayağınızı çekmeniz ile birlikte aracın yavaşlayarak belli bir hız değerinin altına düşmesiyle tekrar tam güç gaza basıp aracı istenen hız değerine ulaştırmanız ve bu işlemi sürekli aynı şekilde devam ettirmeniz ile on-off kontrol yapmış olursunuz. Birçok sürücünün yaptığı gibi aracı istenen hıza getirdikten sonra gazdan ayağınızı yavaşça çekmeniz ve istenen hızın altına düştüğünde hatayla orantılı ve yavaşça gaz vererek istenen hız çevresinde aracı kullanmaya devam etmeniz ile oransal kontrol yapmış olursunuz.

Oransal+İntegral (PI) kontrol Oransal kontrolda oluşan off-set, manuel veya otomatik olarak kaldırılabilir. Ölcülen değer ile set edilen değer arasında fark sinyalinin zamana gore integrali alınır. Bu integral değeri, fark değeri ile toplanır ve off-set etkisi giderilmiş olur. Bu şekilde sisteme verilen enerji otomatik olarak artırılır veya azaltılır ve proses değeri set değerine oturtulur. İntegrator devresi gerekli enerji değişikliğine set değeri ile ölçülen değer arasında fark kalmayıncaya kadar devam eder. Oransal+İntegral kontrolun en belirgin özelliği sistemin genliği ilk anda set değerini geçer, önemli bir miktar sapma yapar (overshoot yani tepe değeri proses değişkeni değeridir). Set değeri etrafında bir-iki salınım yaptıktan sonra set değerine oturur.

Oransal+Diferansiyel (PD) kontrol Oransal kontrolde oluşan off-set, oransal + türevsel kontrol ile azaltılabilir. Ancak türevsel etkinin asıl fonksiyonu yükselme ve alçalma miktarlarını (overshoot – undershoot) azaltmaktır. Bunlar azalırken bir miktar offset kalabilir. Oransal + Türevsel kontrolde set değeri ile ölçülen değer arasındaki fark sinyali, türevsel fark sinyali elektronik türev devresine gider. Türevi alınan fark sinyali, oransal devreden geçen fark sinyali ile toplanır. Türevsel etki düzeltici etkisini hızlı bir şekilde gösterir. Anlık ve hızlı değişimler içeren sistemlerin kontrolünde PD tip kontrolör seçilebilir. Sürekli ve uzun süreli proseslerde ve de off-set arzu edilmeyen hallerde PI tip seçilebilir.

PID kontrol Kontrolü güç, karmaşık sistemlerde oransal, Oransal+Türevsel ve Oransal + Integral kontrol yerine Oransal + İntegral+Türevsel kontrol tercih edilmelidir. Oransal kontrolde oluşan off-set oransal+integral kontrol ile giderilir. Ancak meydana gelen yükselme ve alçalmalar bu kontrole türevsel etkinin de etkilenmesi ile minimum seviyeye indirilir veya tamamen kaldırılır. Şekillerde verilen grafiklere dikkat edilecek olursa diğerlerine nazaran hemen hemen yok denecek kadar az yükselme ve alçalmalar, ve off-set söz konusudur. P, I, D parametrelerinin iyi ayarlanıp ayarlanmamasına bağlı olarak elde edilen kontrol eğrisi değişebilir.

Özet Ancak sadece P 'nin aktif olduğu bu tür kontrol sistemlerinde az da olsa set değeri ile kontrol edilen değer arasında sıfırdan farklı + veya - değerde ve de sıfıra indirilmeyen bir sapma mevcuttur. Sadece P ile kontrol edilen böyle bir sisteme I 'nın ilavesi sapmayı ortadan kaldırmaya yöneliktir . Diğer bir deyişle P+I türündeki bir kontrol cihazı ile denetlenen bir proseste normal şartlar altında sistem dengeye oturduktan sonra sapma oluşması söz konusu değildir. İntegral etki sapmayı sıfıra indirgerken sisteme faz gecikmesi katarak sistemin kararlılığını azaltır. P+I denetim mekanizmasına D ilavesi ise set değerine ulaşmak için geçen zamanı kısaltmaya yaramaktadır.

Çeşitli elektronik kontrolörler ile fırın sıcaklığı kontrolü

Kararlı / kararsız durum Kontrol girdisi uygulandıktan sonra çıktı pozisyonu etrafındaki sinusoidal salınımların genlikleri giderek azalıyorsa sistem o pozisyonda kararlı (stable), artıyorsa sistem o pozisyonda kararsızdır (unstable). Sistem kararsız ise kazanç parametreleri ile oynanarak kararlı hale getirilebilir.