Slide 1 - yarbis

DERS 7
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.
•
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
ossilasyon genliği artar.
• Dolayısıyla kontrol edilen sistemin
tipine göre optimum ölü band
seçilmelidir.
(P) Oransal kontrol
• Bir lineer geri beslemeli kontrol
sistemidir.
• Tipik mekanik sistem örnekleri
şekillerde görülen şamandıra
yükseklik değişimi ile orantılı
vana kontrollü yapan sistem
yada santifruj etki ile orantılı
vana kontrolü yapan sistem
olabilir.
• Oransal kontrol yapılabilen bir
değişken aralığı vardır buna
oransal band denir. Şekildeki
şamandıra yeksekliği değişim
bandı oransal band dır.
• Bu kontrol tipine ait en güzel örneklerden biri “Watt
regülatörü”dür. Bu regülatör buhar makinelerindeki hızı
kontrol etmek amacıyla uygulanmış olup daha sonra
dizel motorlarında da aynı amaçla kullanılmıştır.
Makinenin devri yükseldiğinde şekildeki dönen ağırlıklar
merkezkaç sistemi ile yükselir, alttaki kolu kaldırır. Bu kol
da valfin girişindeki vanaya kumanda ederek buhar
girişini kısar, böylece devir azaltılmış olur.
Oransal kontrolör ile sıcaklık kontrolü örneği
• Set değeri 400 °C´ye ayarlanan, 1200 C
ölçüm aralığı olan ve %5 oransal band
verilen bir oransal kontrol cihazında 370
°C ve 430 °C´ler bandın uc noktalarıdır.
• Kontrol cihazı dusuk sıcaklıklardan
baslamak uzere 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 yukselirken ısıtıcıya
verilen enerji yavas yavas oransal olarak
kısılır.
• Set değerinde sisteme %50 enerji verilir.
• Eğer sıcaklık set değerini gecip
yukselmeye devam edecek olursa 430
°C´ye kadar enerji giderek kısılır ve 430
°C´nin uzerine gectiği taktirde artık enerji
tamamen kapatılır.
• Sıcaklık düşerken de bunların tam tersi
olacaktır.
• Sensor yardımıyla algılanan sinyal, ölçüm yapıldıktan sonra yükseltici bir
devreden gecerek set değeri ile karsılastırılır, ikisi arasındaki fark alınarak
hata değeri bulunur.
• Eğer bu değer pozitif ise proses, set değerinin altındadır. Negatif ise proses
set değerinin uzerindedir. Fark sıfır ise proses set değerindedir.
• Fark değeri sıfır olduğu anda oransal cıkıs % 50´dir.
• % 50´lik cıkısı koruyup prosesi tam set değerinde tutmak zordur. Denge
durumuna gelinceye kadar genlik değisimi olması, hatta düzenli rejim değeri
ile set değeri arasında belli bir fark kalması oransal kontrolun en belirgin
ozelliğidir.
• Set değeri ile sistemin oturduğu ve sabit kaldığı değer arasındaki farka offset denir.
• Off-set´i azaltmak icin oransal band kucultulebilir. Ancak, oransal band
kuculdukce, acık-kapalı kontrolla yaklasıldığı icin set değeri etrafında
salınımlar artabilir.
• Genis oransal bandda off-set´in buyuk olacağı dusunulerek prosese en
uygun oransal bandın secilmesi gerekir.
• Kontrol edilen parametre bir kac kere set değeri etrafında salınım yaptıktan
sonra set değerinin uzerinde veya altında bir miktar fark ile gelip sabitlenir.
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 olusan off-set, manuel veya otomatik olarak kaldırılabilir.
• Olculen değer ile set edilen değer arasında fark sinyalinin zamana gore
integrali alınır. Bu integral değeri, fark değeri ile toplanır ve oransal etki
giderilmiş olur.
• Bu sekilde sisteme verilen enerji otomatik olarak artırılır veya azaltılır ve
proses değeri set değerine oturtulur.
• İntegrator devresi gerekli enerji değisikliğine set değeri ile olculen değer
arasında fark kalmayıncaya kadar devam eder.
• Fark sinyali sıfır olduğu anda artık integrator devresinin integralini alacağı bir
sinyal soz konusu değildir.
• Oransal+İntegral kontrolun en belirgin ozelliği sistemin genliği ilk anda set
değerini gecer, onemli bir miktar sapma yapar (overshoot).
• 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 tolanır.
Türevsel etki düzeltici etkisini hızlı bir şekilde gösterir. Anlık ve hızlı
değişimler içeren sistemlerin kontrolünde bu hızlı değişmelere ayak
uydurmak üzere PD tip kontrolör seçilebilir.
Sürekli tip uzun süreli proseslerde ve 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.
PID kontrol
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 yada stabildir,
artıyorsa sistem o pozisyonda (unstable) kararsızdır.
• Sistem kararsız ise kazanç parametreleri ile oynanarak
kararlı hale getirilebilir.
Sarkaç örneği
• Bir basit sarkaç kuvvetlerin dengelendiği düşey
pozisyonda kararlıdır ve kolaylıkla kontrol edilebilir.
• Ters sarkaç ise düşey pozisyonda kararsızdır ve
ancak kuvvetli bir kontrol sistemi yardımıyla kararlı
hale gelebilir. Ancak burada sistem kontrol edilip
kararlı duruma getirildiğinde bile kabul edilebilir
genlikte salınımlar sürecektir.