1.1 KONTROLA OLAN İHTİYAÇ
Kontroller, kararlı durum şartlarının sağlanması gerektiği yerlerde ve yükün değişken durumlarda gereklidir. Kontrollerin fonksiyonu, yükün ihtiyacını karşılamak için cihaz (ekipman) çıkışını ayarlamaktır. Yükün değişken olmadığı durumlarda kontrole ihtiyaç yoktur.
Bir kontrol cihazı, kontrol edilen cihaz (kontrollü cihaz) olarak tanımlanan bir diğer cihazın çalışmasını ve performansını düzenler.
1.2 OTOMATİK KONTROL
Otomatik kontrol, iklimlendirme ve soğutma işlemlerini düzenlemede çok karmaşık kontrol sistemlerinin sıklıkla kullanıldığı bir disiplindir. Bu sistemler önceden belirlenen şartları, hiç kimsenin denetimi olmaksızın sağlarlar.
İklimlendirme ve soğutma sistemlerinde kullanılan otomatik kontrol tiplerini ikiye ayırmak mümkündür:
1. Güvenlik kontrolleri
2. İşletme kontrolleri
1.3 OTOMATİK KONTROL KAVRAMLARI
Otomatik Kontrol: Kontrol işlemlerinin, kontrol edilmek istenen olay etrafında kurulmuş bir karar mekanizması tarafından, doğrudan insan girişimi olmadan gerçekleştirilmesidir.
Sistem: Belirli bir amacı sağlamak üzere bir bütün oluşturan bağlantılı elemanlar kümesidir.
Giriş Değişkenleri: Bir sisteme, dışarıdan uygulanan ve sistemin davranışını etkileyen değişkenlere denir.
Çıkış Değişkenleri: Bir sistemin davranışını belirleyen değişkenlerden en belirleyici olanına denir ve çıkışlar genellikle ölçülebilir. Bir sistemin giriş ve çıkışları arasında bir sebep-sonuç ilişkisi vardır.
Kumanda Değişkenleri: İsteğe bağlı olarak değiştirilebilen ve sistem çıkışlarını etkileyen sistem girişlerine denir.
Bozucu Değişkenler: Bir sistemin girişleri arasında kontrol edilemeyen girişlere denir.
Örnek:
Sistem: Ev tipi soğutucu (buzdolabı)
Girişler: Sıcaklık ayarı, elektrik enerjisi
Çıkışlar: İstenen seviyede ürünleri muhafaza sıcaklığı
Kumanda: Kompresörün kısa aralıklarla çalıştırılıp durdurulması (termostat ile)
Bozucular: Ortam havasındaki değişmeler, soğutucu kapağının açılma sıklığı, soğutucu içindeki ürünlerin artması veya azalması
1.4 AÇIK DÖNGÜLÜ KONTROL
Bir açık döngülü kontrol, bir dış değişkenin sistemi nasıl etkileyeceğini öngörür (tahmin) eder ve ayar noktasını aşırı sapmadan korumak için ayarlar. Açık döngülü kontrole bir örnek, dış ortam termostatı olup binanın ısı yükünün dış hava sıcaklık değişmelerinden nasıl etkilendiğini öğrenmek için kullanılır. Esasında tasarımcı dış hava sıcaklığı ile binanın ısı ihtiyacı arasında sıkı bir ilişki olduğunu farz eder ve kontrol eylemini dış hava sıcaklığı üzerine temellendirir.
1.5 KAPALI DÖNGÜLÜ (GERİ BİLDİRİMLİ) KONTROL
Bu kontrol tipinde sistemin çıkışları sürekli ölçülerek girişler kontrol edilir. İstenen değer ile ölçülen değer arasındaki farka bağlı hata (giderme) sinyali oluşturulur. Bu sinyal ölçüm değeri ile istenen değer arasındaki farkın negatifi olarak alındığından kapalı döngülü kontrole “negatif geri bildirimli kontrol” de denmektedir.
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.
Kapalı döngülü bir kontrolün sisteminde girişler kontrol edilen cihazda hata detektöründen gelen sinyale göre düzeltilmekte ve sisteme verilmektedir. Bozucu etkiler sürekli değişebildiği için çıkış değişkenleri genelde istenen değere uygun olmayacaktır. Ancak sistem çıkışları istenen değere uygunsa hata algılanmadığından sistem kararlı duruma oturmuş demektir.
Kapalı döngülü kontrolde kontrolün kararlılığını etkileyen bazı faktörler mevcuttur. Örnek olarak ölçme elemanındaki ölçüm gecikmesi veya sistem kapasitesine bağlı olarak ortaya çıkan atalet kontrol devresinde dalgalanmaya neden olacaktır.
1.6 OTOMATİK KONTROL TÜRLERİ
Kapalı döngülü otomatik kontrol devresinde ölçme cihazının algıladığı hatanın ne şekilde düzeltileceği çok önemlidir ve farklı işlemler için farklı seçenekler önerilebilir. Otomatik kontrol türleri bu hata giderme yöntemlerine göre şu şekilde sınıflandırılır:
1. İki konumlu (on/off) kontrol
2. Yüzer kontrol
3. Oransal kontrol
4. Oransal ve integral (P.I.) kontrol
5. Oransal ve türevsel (P.D.) kontrol
6. Oransal, integral ve türevsel (P.I.D.) kontrol
1.6.1 İKİ KONUMLU (ON-OFF) KONTROL
İki konumlu (on-off) kontrol, en basit kontrol işlemi olduğundan çok yaygındır. Kontrol eylemi aslında çevrimlidir ve bir çok durumlarda bir kontrolün fark (diferansiyel) aralığı kullanılır.
Geniş zamanda gerçekleşen yavaş bir işlem kademesi genelde tercih edilir. Çünkü kontrol mekanizmasının daha az aşınmasını sağlar. Bununla birlikte sistemin tembellik potansiyeli kontrol aralığının dışına çıkılmasına neden olur. Bundan dolayı endüstriyel sistemlerde bu tip ideal bir iki konumlu kontrol sistemi kullanılmaz. Prosesteki bozucu faktörler ve elektriksel gürültü nedeniyle, ayar (set) değeri geçişleri bu şekilde tek noktada olacak olursa sistem dalgalanmaya (osilasyon) geçer ve devamlı set değeri etrafında sık aralıklı açma kapama yapar. Özellikle bu durum son kontrol elemanlarının çok kısa sürede tahrip olmasına sebep olur.
Çevrim genliğini en aza indirmek için tembellik potansiyeli küçük tutulmalı ve giriş miktarı sistemin kapasitesinden büyük olmamalıdır. Ayrıca sistem kapasitesi büyüdükçe daha küçük genlik sağlanabilir.
Genellikle iki konumlu kontrol en uygun şu durumlarda kullanılır:
1. Transfer gecikmesi ve tembellik potansiyeli ihmal edilebiliyorsa,
2. İşlem tepki kademesi yavaş ise,
3. Ölçme ve kontrol gecikmeleri çok küçük ise.
1.6.2 YÜZER KONTROL
Bu kontrol türünde kontrol edilen elemana, kontrol cihazının komutuna uygun bir düzeltici hareket verilebilir. İki konumlu kontrol ile oransal kontrol arasında yer alır.
Bu kontrol türünü daha iyi anlatabilmek için, K1 ve K2 kontaklarına sahip olan bir seviye kontrol cihazı ile iki motorlu vananın servomotoru arasındaki ilişkiyi inceleyelim:
Başlangıçta sistem su seviyesi düşük olduğunu varsayarsak (yani H<H1) bu durumda K1 kontağı kapalı durumda, dolayısı ile vana açık konumdadır. H seviyesi H2 noktasına ulaştığında (H=H2) K1 kontağı açık konuma geçer. Bu arada su tüketimine başlı olarak seviye aralarda gezinebilir. Tüketim az ise seviye yükselebilir, tüketim fazla ise seviye düşebilir. Şayet yükselmeye devam ederse H=H4 olduğunda K2 kontağı kapanır ve vana kapatmaya başlar ve tüketimin durumuna göre su seviyesi değişmeye başlar. Su seviyesi H=H3 olduğunda K2 kontağı açılır ve vana ara konumda kaldığından seviye H3>H>H2 arasında gezinti yapabilir. Şayet seviye daha fazla düşüp H=H1 olursa K1 kontağı kapanır ve motorlu vana açılmaya başlar. Olay bu noktadan itibaren tekrarlanır.
1.6.3 ORANSAL KONTROL
Oransal kontrolde, proses parametresini sabit tutmak için enerji süreli olarak ayarlanır ve sisteme set değerinde %50 kapasite ile enerji verilir. . Enerjinin %0´dan %100´e kadar ayarlanabildiği, oransal kontrol yapılabilen sıcaklık aralığına “oransal band” denir. Genel olarak oransal band, cihazın tam skala (span) değerinin bir yüzdesi olarak tanımlanır ve set değeri etrafında eşit olarak yayılır.
Oransal kontrol formunda gerçek değer ile set noktası arasında ölü bandı (offset) değeri denen bir fark oluşur. Oransal kontrolün bu sakıncasını önlemek için proseste değişiklik yapılmalı veya cihazın set noktası ölü bant değeri dikkate alınarak belirlenmelidir.
Örneğin 60°C´lik skalası olan bir cihazda %5´lik bir oransal band demek 0.05 x 60°C = 3 °C´lik bir sıcaklık aralığı demektir. Bu 3 °C´lik aralığın 1,5 °C´si set değerinin üzerinde 1,5 °C´si set değerinin altında yer alır ve kontrol cihazı 3 °C´lik aralıkta oransal kontrol yapar.
1.6.3.1 ORANSAL KONTROL (KAZANÇ)
Oransal kontrol cihazı prosesin talep ettiği enerjiyi sürekli olarak ayar değişkenini ayarlayarak verir. Gereksinim duyulan enerji ile sunulan enerji arasında bir denge vardır. Elektrik enerjisi kullanılarak ısıtma yapılan bir proseste, oransal kontrol cihazı ısıtıcının elektrik enerjisini prosesin sıcaklığını set edilen değerde tutabilecek kadar, prosesin gereksinim duyduğu kadar verir. Enerjinin %0´dan %100´e kadar ayarlanabildiği, oransal kontrol yapılabilen sıcaklık aralığına oransal band denir. Genel olarak oransal band, cihazın tam skala (span) değerinin bir yüzdesi olarak tanımlanır ve set değeri etrafında eşit olarak yayılır. Örneğin 80 °C´lik skalası olan bir cihazda %5´lik bir oransal band demek 0.05 x 80 °C = 4 °C´lik bir sıcaklık aralığı demektir. Bu 4 °C´lik aralığın 2 °C´si set değerinin üzerinde 2 °C´si set değerinin altında yer alır ve kontrol cihazı 4 °C´lik aralıkta oransal kontrol yapar.
Set değeri 40 °C´ye ayarlanan, %5 oransal band verilen bir oransal kontrol cihazında 38 °C ve 42 °C´ler bandın uç noktalarıdır. Kontrol cihazı düşük sıcaklıklardan başlamak üzere 38 °C´ye gelinceye kadar ısıtıcılara %100 enerji verilir, yani enerji tamamen açıktır. 38 °C´den itibaren set değeri olan 40 °C´ye kadar sıcaklık yükselirken ısıtıcıya verilen enerji yavaş yavaş kısılır. Set değerinde sisteme % 50 enerji verilir. Eğer sıcaklık set değerini geçip yükselmeye devam edecek olursa 42 °C´ye kadar enerji giderek kısılır ve 42 °C´nin üzerine geçtiği taktirde artık enerji tamamen kapatılır. Yani sisteme % 0 enerji verilir. Sıcaklık düşüşünde anlatılanların tam tersi olacaktır. Oransal band örneğin % 2´ye düşürüldüğü taktirde; 0.02 x 80 = 1,6 °C´nin yarısı olan 0,8 °C üstte ve 0,8 °C altta olmak üzere köşe noktaları 39,2 °C ve 40,8 °C olacaktır. Değişik proseslerde ve değişik şartlarda duruma en uygun oransal band seçilerek oransal kontrol yapılır.
PID kontrolün ilk elemanı oransal kontroldür. Basit eşitliği:
hata = ölçüm değeri – ayar noktası (direkt etkili) veya hata = ayar noktası – ölçüm değeri (ters etkili) Eylemin direkt ekili veya ters etkili olabileceğine dikkat edin. Direkt etkili kontrol döngüsünde işlem ölçümündeki bir artış son kontrol elemanının çıkışını artıracaktır.
Oransal eşitliği sadece bu denklemle ifade edilebilir:
çıkış = kazanç x hata + bias (eğilim)
Bias bazen manuel reset (elle kurma) değeri olarak bilinir. Bazı kontrol sistemlerinde oransal bant kazançtan daha fazla kullanılır. Oransal bant ve kazanç arasındaki ilişki:
Kazanç=%100/Oransal Bant
veya
Oransal Bant = %100 / Kazanç
Kazanç ise çıkış değişiminin giriş değişimine oranıdır.
Kazanç = Çıkış Değişimi / Giriş Değişimi
Oransal bant, çıkışı 0’dan 100’e kadar değiştirmek için istenen giriş değişikliği miktarıdır.
Yalnızca oransal kontrol ile bir işlemin ayar noktasına oturtulması mümkün değildir. Bundan dolayı elle ayarlamaya (manuel reset) veya otomatik ayarlamaya (integral kontrol) ihtiyaç vardır.
1.6.3.2 ZAMAN ORANSAL KONTROL
Zaman oransal kontrol formunda çalışan cihazlar röle çıkışına sahiptirler. Röle çıkışı sistem parametresine bağlı olarak tanımlanmış bir periyodun belli bir kısmında enerjilenir. Buna göre zaman oransal kontrolde Xp ile ifade edilen oransal bant ve Xt ile ifade edilen çalışma periyodu belirlenir. Aşağıdaki enerji-sıcaklık ve enerji-zaman diyagramlarında zaman oransal kontrol formu açıklanmıştır.
Bu diyagramdan da izleneceği gibi sistem sıcaklığı set değerinde iken Xt periyodunun %50’sinde sisteme enerji verilir, %50’sinde ise kesilir.Eğer sıcaklık set değerinin altına düşerse darbe-periyot oranı otomatik olarak arttırılır. İstenilen hassasiyette kontrol yapılabilmesi için Xp ve Xt değerinin iyi seçilmesi gerekir.
1.6.4 ORANSAL VE INTEGRAL (PI) KONTROL
Operatör, yükteki herhangi bir değişikliğe karşı elle ayarlamaya göre eğilimi (bias) her hata durumunda ayarlayacak otomatik ayarlamaya gereksinim duyar. Bu otomatik ayar terimi aynı zamanda “integral” olarak da tanımlanır.
Analog kontrollerde integral biçiminin çok yaygın bir aleti çıkışa pozitif geri bildirim kullanımıdır.
Oransal kontrolde oluşan ölü bandı otomatik olarak resetlemek için cihaza elektronik integral alma devresi eklenir. Böylece prosesin gerçek değeri ile set noktası arasındaki fark sıfırlanana kadar bu işaretin integrali alınır. Bu işlem esnasında sisteme verilen enerji, ölü bant değerinin (+) veya (-) olma durumuna göre otomatik olarak azaltılır veya arttırılır. İntegral alma devresinin bu düzeltici etkisi sayesinde sistem set değerine oturtulur.
Oransal integral kontrol formunun başlıca sakıncası, başlangıçta sıcaklık değerinin set noktasının bir hayli üstüne çıkması ve bir miktar salınım yaptıktan sonra set değerine oturmasıdır.
1.6.5 ORANSAL TÜREVSEL (PD) KONTROL
Oransal ve türevsel kontrolde, başlangıç durumlarında oluşan salınımların etkisini azaltmak için cihaza türev alma devresi eklenir. Türev alma etkisi sıcaklık değişimleri esnasında kontrol cihazının kazancını arttırır. Bu da proseste oluşan dalgalanmaları dengeler.
Türev alma etkisi aynı zamanda daha dar bir oransal bant kullanmayı mümkün kılar. Oransal türevsel kontrolün sakıncası ölü bant değerinin sıfırlanamamasıdır.
1.6.6 ORANSAL, İNTEGRAL VE TÜREVSEL (PID) KONTROL
Yüksek hassasiyetin istendiği ve kontrolün zor olduğu proseslerin oransal integral ve türevsel kontrol formundaki cihazlarla kontrol edilmesi gerekir. Bu tip kontrolde proses sıcaklığı aşırı salınım olmaksızın düzgün bir şekilde set değerine ulaşır ve bu noktada kararlı bir şekilde tutulur.
m(t)=Kpe(t)+Kp Td de(t)/dt+ (Kp/Ti) e(t)dt
Kp: Kazanç(oransal hassasiyet)
Ki: İntegral zamanı
Td:Türev zamanı