otomatİk kontrol'a gİrİŞ -...

Kaynak: Yüksel, İ., “Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Bursa, 2001 1

OTOMATİK KONTROL'A GİRİŞ*

1.1 GENEL BİLGİLER

Otomatik denetim sistemleri veya kısaca denetim sistemleri günümüzde ileri toplumların

günlük yaşantısına girmiş ve hemen hemen her alanda kullanılmaktadır. Evlerde kullanılan,

otomatik çamaşır makinesi, otomatik bulaşık makinesi, termostatlı fırınlar veya diğer bir

deyişle akıllı fırınlar, ütüler, endüstriyel ve araştırma alanında kullanılan robotlar,

mikroişlemciler, bilgisayarlar, uzay taşıtları v.b. denetim sistemleri üretimi ve üretim

kalitesini sürekli olarak arttırmakta olup yaşam biçimimize etki etmektedirler. Denetim

sistemleri herhangi bir endüstri toplumunun tamamlayıcı bir parçası olup artan dünya

nüfusunun ihtiyaç malzemelerini üretmek için gereklidirler. Teknolojik gelişmeler insanın aya

seyahatini ve bizim dışımızdaki uzayı keşfetmesine olanak tanımıştır. Uzay taşıtlarının, uzay

mekiğinin, uzay istasyonlarının ve uçuş denetim sistemlerinin başarılı bir şekilde çalışması bu

tür riskli işlerde çok sayıda kullanılan denetim sistemlerinin işlevlerini uygun bir şekilde

yapmasına bağlıdır.

Sistemlerin denetimi bilimler arası bir konudur ve tüm mühendislik alanlarına girer. Bu

nedenle denetim sistemleri farklı üretimler yapan değişik türde işlemlerde çalışan veya

çalışacak olan makine, elektronik, elektrik, tekstil, kimya, uçak, nükleer v.b. mühendisleri çok

yakından ilgilendirmektedir. Denetim organları donanımlarında kullanılan teknikler ve

bunların tasarımı daha çok doğrudan doğruya elektrik, elektronik ve makine mühendisliğini

ilgilendirmektedir. Denetim organlarının sistemlerde kullanımı ve değerlendirilmesi ise tüm

mühendislik dallarını doğrudan ilgilendirir. Çok yönlü otomatik denetim konusu bugün en

ümit verici alanlardan birisi olarak sayılmakta ve sınırsız büyüyen bir potansiyel olarak ortaya

çıkmaktadır. Denetim döngüsü içinde bilgisayarların kullanımı bu konuyu daha da geniş

kapsamlı hale getirmiştir. Denetim sistemleri kısaca enerji, malzeme veya diğer kaynakların

akışını düzenleyen aygıtlar olarak tanımlanır. Bunların düzenlenmesi, karmaşıklığı ve

görünüşü kullanım amaçları ve işlevlerine göre değişir. Denetim sistemleri denetlenen

niceliklerin değerlerini sabit tutar veya bu değerlerin, önceden belirlenmiş biçimde değişimini

sağlar. Sistemi oluşturan işlemler elektrikli ya da mekanik kumanda donanımlarıyla, akışkan

(sıvı ya da gaz) basıncıyla ya da bu benzeri araçların bileşik etkisiyle gerçekleştirilir. Denetim

devresinin herhangi bir bölümünde bilgisayarlardan yararlanıldığında, tüm denetim organları

donanımını elektrikle çalıştırmak daha uygun olmakta ve ayrıca karma sistemlerde yaygın

olarak kullanılmaktadır.


1.2 DENETİM SİSTEMLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ

Çok eski çağlardan beri insanoğlunun çok basit de olsa "kendi kendine çalışma sistemine"

göre çalışan "otomatik makineler" yaptığı bilinmekteydi. Bu aletler daha çok hayvan taklitleri

yapan oyuncak biçimi aygıtlar (M.Ö. 430 yılında Taretumlu Archytas'ın yaptığı otomatik

güvercin) veya zamanı ölçmeye (İskenderiyeli Ktesibios (Heron) M.Ö. 285-247 de yaptığı su

saati) ve su kemerlerindeki su düzeyini sabit tutmaya çalışan sistemlerdi. Bizde ise 1205'lerde

yaşamış olan Cizreli Eb-ül-iz adında bir Türk bilgininin Diyarbakır'da otomatik makinalar

yaptığı bilinmektedir. Batı Dünyasında "al cazari" olarakta bilinen Cizreli Eb-ül-iz İbni İsmail

İbni Razzaz'ın su saatleri, müzik otomatlar ve kuyu yada akarsulardan su çıkaran tulumlar

üzerinde tasarımlar yaptığı ve bunların imalatını gerçekleştirdiği ileri sürülmektedir. Bütün bu

örneklerde; makinenin, işlemden elde edilen bilgileri uyarınca çalıştırılması temeline dayalı

geribesleme ilkesi kullanılmıştır.

Sanayi Devrimi'nin başlangıç yıllarında bulunan geribeslemeli sistemler olarak Hollandalı C.

Drebeelin (1572-1633) sıcaklık düzenleyicisi, Fransız D. Papin'in (1647-1712) buhar

kazanları için bulduğu basınç düzenleyicisi gibi örnekler sayılabilir.

Endüstriyel alanda kullanılan ilk geribeslemeli denetim organı ise James Watt'ın 1769'da

geliştirdiği toplu hız düzenleyicisidir (regülatör). Bu aygıt buhar makinesine buhar akışını

ayarlayarak, yük değişimlerine rağmen buhar makinesinin sabit bir hızla çalışmasını

sağlıyordu. Tamamen mekanik olan bu aygıt çıkış milinin hızını mekanik olarak ölçer ve bu

hıza bağlı hareket eden metal küreciklerin hareketinden yararlanarak buhar valfinin açılıp

kapanmasını ve dolayısıyla makineye giren buhar miktarını denetler. Makinenin hızı artınca

merkezkaç kuvvetin etkisi ile metal kürecikler yukarı kalkmaya çalışır ve buna bağlı olarakta

çubuk-manivela mekanizması valfi kapamaya çalışır. Aksi bir durumda kürecikler aşağıya

doğru hareket ederek valf açmaya çalışır. Metal kürecikler; hız ölçümü ve valfın hareketi için

gerekli gücü makineden çektiklerinden hız ölçümünü tam doğrulukta sağlayamazlar.

Kürecikli hız düzenleyici hız denetim uygulamalarında bugün halen kullanılmaktadır. Yalnız

burada tamamen mekaniksel sistemler yerine valf hareketinde yüksek kuvvetler sağlayan

hidrolik servomotorlar yeralır.

Endüstriyel alanda kullanılan diğer bir uygulama ise 1801'de Fransız Joseph Jacquard'ın

geliştirdiği dokuma tezgahı olup açık döngü (ileribesleme) denetimin ilk örneğini içeriyordu.

Bu tezgahta, delikli kartlardan oluşan bir deste dokumanın desenlerini programlıyor, tezgahın


işlemlerinin kumanda edilmesinde sürece ilişkin herhangi bir bilgi kullanılmıyordu. Benzeri

açık döngü denetim düzeneklerinden 19. yüzyılda geliştirilen ve kesici takımların belirli bir

örnek (şablon) uyarınca çalışması esasına dayalı olan birçok takım tezgahında

yararlanılmıştır.

Bir denetim sistemine ilişkin ilk kuramsal çözümleme, 19. yüzyılda Watt regülatörünün bir

diferansiyel denklem modelini geliştiren İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell

gerçekleştirdi. Maxwell'in yayımladığı bu çalışması kısa sürede genelleştirildi ve birçok başka

bilim adamlarının (Minorsky, Nyquist, Hazen v.b.) da katkısıyla denetim kuramı geliştirildi.

Özellikle 1922'de Minorsky'nin otomatik dümen sistemine ilişkin çalışması, bu doğrultudaki

çalışmalara hız kazandırdı. 1930'larda uzun mesafe telefon kuvvetlendiricilerindeki

(amplifikatör) elektrikli geribesleme düzeneklerinde önemli gelişmeler oldu. Benzer bir

gelişmede, az miktarda bir güçle çok büyük ölçekli güçlerin denetlenmesini ve bunlara

otomatik olarak kumanda edilmesini sağlayan servomekanizmaların genel kuramı alanında

görüldü. Bunu, kimya ve petrol sanayilerindeki otomatik sistemlerin önemli ölçüde

geliştirilmelerini olanaklı kılan pnömatik (havalı) denetim organlarının ve benzeşik (analog)

bilgisayarların keşfi izledi. Tüm bu ilerlemeler, kapsamlı bir denetim sistemi kuramının

oluşturulmasına ve II. Dünya Savaşı sırasında uçaksavar bataryaları ve atış denetim sistemleri

gibi çeşitli uygulamalara temel sağladı.

Klasik denetim kuramının özünü teşkil eden frekans cevabı yöntemi 1940'lı yıllarda ve kök-

yer eğrileri yöntemi 1950'li yıllarda gelişmelerini tamamlamış olup doğrusal geribeslemeli

sistemlerin tasarımında ve kararlılık çözümlemelerinde yaygın olarak kullanılagelmişlerdir.

Bu tarihlere kadar yapılan kuramsal çalışmaların ve uygulamaların çoğu tek döngülüydü, yani

bu sistemler yalnızca tek bir noktadan geribesleme ve kumanda özelliğine sahipti.

1950'li yılların sonlarına doğru denetim sistemlerinin tasarımında sayısal bilgisayarlar

kullanılmaya ve kendileri de bir denetim organı olarak uygulanmaya başlandı. Böylece çok

döngülü sistemlerin sunduğu olasılıklar incelenmeye başladı. Bu sistemlerde geribeslemenin,

belirli bir sürecin birden çok noktasından başlatılabileceği ve gerekli ayarların birkaç noktadan

yapılabileceği düşüncesi ortaya atıldı. Benzeşik ve sayısal bilgisayarların geliştirilmesi, çok

daha karmaşık otomatik denetim sistemlerinin kurulmasına yol açtı, bu doğrultuda oluşturulan

kuramlar eski "klasik denetim" den ayırt edilebilmeleri amacıyla "modern denetim" olarak

adlandırıldı. Modern denetim kuramı "durum-uzayı" yaklaşımına dayanır ve 1960'larda

yapılan tüm kuramsal gelişmelerde bu yaklaşım kullanılmıştır.


Bu alanda yapılan en önemli uygulamalar uzay programlarıdır. 1970'lerin başında, durum-

uzayı yaklaşımına dayanan modern denetim kuramının frekans cevabı ve Laplace

dönüşümüne dayanan, klasik denetim kuramının tamamen yerini alamayacağı gerçeğine

varıldı. Bu açıdan bugün çağdaş bir denetim mühendisi her iki yaklaşımın bilgilerine sahip

olmak zorundadır.

Son yıllarda denetim sistemlerinde kullanılan donanım açısından; ilk önce büyük ölçekli

makineler, daha sonra minibilgisayarlar ve nihayet mikrobilgisayarlar olarak sayısal

bilgisayarların çok yaygın olarak faydalandığı gözlenmiştir.

1980'ler ve daha sonraki yıllarda, mikrobilgisayarlar denetim organları olarak diğer aygıtların

yerini almaya devam edecektir. Buna rağmen yine de basitliği, güvenirliliği ve kuvvet

ihtiyaçları nedenleri ile işlemsel kuvvetlendiricilere, pnömatik ve hidrolik denetim organlarına

daima ihtiyaç olacaktır. Yakıt ekonomisi için gerekli talepler diğer türden güç sistemlerinde

olduğu kadar uçak ve otomobil motorları için iyileştirilmiş denetim sistemleri gerektirecektir.

Bugün otomobillerde mikroişlemcilerin de kullanıldığı, iyi bir yakıt tüketimi sağlayan ve

dolayısıyla kirliliği de azaltan ve aynı zamanda emniyetli seyir imkânları sağlayan denetim

sistemi uygulamalarına geçilmektedir.

Gelecekte, uzay programlarında, insanın uzaya gönderimi pahalı olduğunda, otomatik

denetim sistemlerinin önemli miktarlarda uygulanacağını bekleyebiliriz. Endüstriyel

durumlarda olduğu kadar uzay alanında robotların kullanımı daha yaygın hale gelecektir.

Robotikler riskli ve can sıkıcı işlerde daha yaygın olarak kullanılır hale gelecektir. Karada,

denizde ve havada yapılan ulaşım yolcuların emniyeti ve konforu için çok iyi çalışan denetim

sistemleri gerektirecektir.

1.3 TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAR

Denetim sistemleri ile ilgili konulara ayrıntılı bir şekilde geçmeden önce, konunun iyi bir

şekilde anlaşılması açısından bazı önemli ifadelerin tanımlarını yapmak yerinde olacaktır. Bir

denetim sistemi bir takım elemanların karşılıklı şekilde birbirine bağlanmasından meydana

gelmiştir. Bu sistem elemanları birbirlerine giriş ve çıkışlar yoluyla bağlanmıştır. Sistem

elemanlarının işlevleri, bireysel giriş ve çıkışları ve sistem elemanları arasındaki bilgi akışı

işlevsel blok şemaları ile gösterilir. Bu şemalar sistem elemanlarının etki ve neden-sonuç

ilişkilerine göre sıralanmalarını, sistemin yapısının incelenmesini sağlar. İşlevsel bloklar bir

kara kutu elemanı olarak ele alınır ve bir sistem elemanını temsil eden bir kara-kutunun


davranışı giriş çıkış bağıntısı ile belirlenir. Burada giriş neden, çıkışta girişin neden olduğu bir

sonuçtur. Bu nedenle giriş-çıkış bağıntısı elemanın neden-sonuç davranışı olarak ifade edilir.

Örneğin bir elektrik direncine bir gerilim uygulandığında bu nedenin sonucu olarak dirençte

bir akım oluşur. İşlevsel şemadaki elemanların işlevlerini matematiksel ifadelerle gösteren

şemalara ise blok şema denir ve bu konu ayrıca ileride ayrıntılı olarak incelenecektir.

Şekil 1.1 Temel tanımları gösteren genelleştirilmiş geribeslemeli sistem blok şeması

Yapılan tanımlara esas teşkil etmek üzere, Şekil 1.2'de genelleştirilmiş kapalı-döngü bir

sistemin işlevsel blok şeması verilmiştir. Burada verilen tanımların bir kısmı blok şema

üzerinde gösterilen eleman ve işaretlerin işlevlerin tanımı, bir kısmı da konu ile ilgili genel

ifadelerin tanımları olacaktır.

SİSTEM (System): Genel anlamda; bir bütün oluşturacak şekilde karşılıklı olarak birbirine

bağlı elemanlar toplamıdır diye tanımlanabilir. Fiziksel anlamda; bir amacı gerçekleştirmek

için düzenlenmiş ve bütün bir birim olarak hareket etmek üzere birleştirilen etkileşimli ya da

ilişkili fiziksel elemanlar düzenidir.

DENETİM (Control): Denetim kelimesi genellikle ayarlamak, düzenlemek, yöneltmek veya

kumanda etmek anlamlarına gelir. Tanım olarak; bir değişken niceliğin ya da değişken

nicelikler kümesinin önceden belirlenmiş bir koşula uyumunu sağlamaya yönelik olarak

gerçekleştirilen işlemler bütünüdür.

DENETİM SİSTEMİ (Control System): Kendisini veya diğer bir sistemi kumanda etmek,

yönlendirmek veya ayarlamak üzere birleştirilen fiziksel organlar kümesidir. Mühendislik

açısından denetim sistemi, en az veya hiçbir insan girişimi gerektirmeyecek şekilde, arzu

edilen işlevleri ve sonuçları sağlamak üzere bir araya getirilen makine, süreç (process) ve diğer


aygıt donanımlarının (Instrumentation) otomatik çalışmasını ifade eder. Denetim sistemleri,

denetlenen niceliklerin değerlerini sabit tutar ya da bu değerleri, önceden belirlenmiş biçimde

değişmesini sağlar.

Şekil 1.2 Açık-döngü denetim sistemi

Şekil 1.3 Kapalı-döngü denetim sistemi

OTOMATİK DENETİM (Automatic Control): Bir sistemde denetim faaliyetlerinin insan

girişimi olmaksızın önceden belirlenen bir amaca göre denetimi ve yönlendirilmesidir. Genel

anlamda otomatik denetim, doğrudan insan girişimi olmaksızın çalışan aygıtların, makinelerin

ve sistemlerin çalışması ve gelişmesi ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Uygulamada denetim veya

denetim sistemi denilince daha çok otomatik denetim anlaşılır. Günümüzde insan girişimi ile

yapılan denetim hemen hemen yok sayılır veya denetim sistemi tanımına girmez.

TESİSAT VEYA DENETLENEN SİSTEM (Plant): Amacı özel bir işlemi yerine getirmek

olan birlikte çalışan makine parçaları takımı veya bir cihaz, tesisat adını alır. Bu kitapta ısıtma

fırını, kimyasal reaktör, uzay taşıtı, damıtma tesisleri gibi denetlenmesi gerekli fiziksel

nesneler tesisat veya kısaca sistem adını alacaktır.


GİRİŞ (Input): Denetim sisteminden belli bir cevap almak üzere bir dış enerji kaynağından

sisteme uygulanan uyarıdır.

ÇIKIŞ (Output): Denetim sisteminden sağlanan gerçek cevaptır. Çıkış, girişin öngördüğü

cevaba eşit olur veya olmayabilir. Bir sistemin denetim amacını giriş ve çıkışlarını türü

belirler. Örneğin bir sıcaklık denetim sisteminde giriş arzu edilen sıcaklık çıkış ise sistemde

gerçeklenen ve ölçülen sıcaklıktır.

AYAR NOKTASI VE AYAR DEĞERİ (Set Point and Set Value): Denetim sistemlerinde

sabit bir kumanda değerinin ayarlandığı nokta ve ayarlanan değer. Örneğin sıcaklık denetim

sistemlerinde arzu edilen sıcaklığın ayarlandığı nokta bir ayar noktası ve ayarlanan sıcaklık

ayar değeridir. Diğer tanımları Şekil 1.2 de verilen şemadan izleyebiliriz.

KUMANDA GİRİŞİ VEYA ARZU EDİLEN GİRİŞ (Comand Input or Desired Input);\(t):

Sisteme uygulanan sevkedici giriş olup sistemin çıkışından bağımsızdır.

BAŞVURU GİRİŞ ELEMANI (Reference Input Element): Başvuru giriş değerini saptayan

birimdir. Başvuru giriş elemanı sistem çıkışının arzu edilen birimleri cinsinden kalibre (ayar)

edilir.

BAŞVURU GİRİŞİ (Reference Input); r(t): Denetlenen sistemin belirlenen bir eylemini

kumanda etmek üzere denetim sistemine uygulanan giriş sinyalidir. Başvuru giriş elemanının

sağladığı bu sinyal sistem tarafından doğrudan doğruya kullanılabilir biçimde bir kumanda

olarak ifade edilir. Denetim sistemi için gerçek sinyal girişi olup çoğunlukla ideal sistemin

çıkış davranışını temsil eder.

KARŞILAŞTIRICI VEYA HATA SEÇİCİ (Comparator or Error Detector): Başvuru giriş

sinyali ile geribesleme sinyalini karşılaştırıp mukayese eden ve bu iki sinyal arasındaki farka

eşit bir hata sinyali üreten elemandır. Karşılaştırıcı aynı boyut ve birimlerdeki sinyalleri

karşılaştırarak onların cebirsel toplamlarını alır.

HATA VE SAPMA (Error and Deviation); e(t): Çıkışın herhangi bir anda, arzu edilen

değere göre farkına hata denir. Hata sinyali başvuru girişi ile geribesleme sinyali arasındaki

farka eşittir. Karşılaştırma elemanı, çıkışın arzu edilen değerle karşılaştırarak hata

değişimlerini belirler. Hata sinyali, sistemin çıkışından arzu edilen değeri sağlamak üzere

denetim organını hareket ettirir. Denetim organı bu değişimlerini giriş olarak alır ve kendi

yapısına da bağlı olarak son denetim organı (mot. El.) için uygun bir denetim sinyali üretir.


Sapma; denetlenen değişkenlerin belirli değerler etrafında değişimleri sapma olarak ifade

edilir. Genel anlamda bir hata sinyali olup özellikle ayar değerine göre çalışan süreç denetim

sistemlerinde denetlenen değişkenin sabit bir ayar değerinden ayrılması sapma (deviation)

olarak ifade edilir.

DENETİM ORGANI (Controller or Control Element): Denetlenen sisteme uygulanacak

uygun bir denetim sinyali sağlayan elemandır.

SON DENETİM ELEMANI VEYA MOTOR ELEMAN (Actuator or Motor Element):

Denetim organından alınan sinyale göre belli bir fiziksel yapıda güç sağlayan elemandır. Bu

eleman denetlenen sistemde meydana gelen hatayı veya sapmayı düzeltmek için gerekli

hareketi sağlayan bir elemandır.

DENETİM SİNYALİ (Control Signal or Manipulated Variable); m(t): Denetim elemanları

grubunun denetlenen sisteme uyguladıkları nicelik veya koşuldur. Bu sinyal denetim organı

çıkışında denetim sinyali olarak son denetim elemanına gönderilir. Burada yeteri kadar

kuvvetlendirilerek denetlenen sistemin denetlenen değişkenini değiştirecek şekilde bir

düzeltme işleme meydana getirir. Fakat esas denetim biçimi denetim organı tarafından üretilir.

DENETLENEN SİSTEM (Controlled System or Plant): Özel bir niceliğin denetlendiği

tesisat, süreç veya bir makinedir.

ÇIKIŞ VEYA DENETLENEN DEĞİŞKEN (Controlled Variable); c(t): Denetlenen

sistemin niceliği veya koşuludur. Bu niceliğin, sistemin bozucu girişlerden etkilenmeksizin

kumanda girişini izleyecek şekilde önceden tanımlanan bir değerde sabit tutulması gerekir.

BOZUCU GİRİŞLER (Disturbance Inputs); d(t): Sistemin denetlenen çıkışı üzerinde arzu

edilmeyen yönde etki yapan girişlerdir. Eğer bozucu etkiler sistem kendi içinden meydana

geliyorsa iç bozucular, sistem dışından geliyorsa dış bozucular adını alır ve her ikisi de sistem

için bir giriştir. Bozucu giriş denetim sistemi döngüsüne herhangi bir noktadan etki edebilir.

GERİBESLEME SİNYALİ (Feedback Signal); b(t): Denetlenen değişkenin bir fonksiyonu

olup başvuru girişi ile karşılaştırılarak hata sinyalini elde edilmesini sağlar.

GERİBESLEME ELEMANI (Feedback Element): Denetlenen çıkış sinyali ile geribesleme

sinyali arasında işlevsel bağıntı kuran elemandır. Geribesleme elemanları özellikle denetlenen

değişken ile başvuru giriş sinyalinin farklı fiziksel yapıda olduğu durumlarda bir


dönüştürgeçten (transducer) ibarettir. Geribesleme elemanı denetlenen değişkenin ölçülen

değerini sağlar. Genellikle geribesleme elemanı bir ölçü elemanı biçimindedir.

GERİBESLEME YOLU (Feedback Path): Denetlenen çıkış sinyalinden geribesleme

sinyaline kadar uzanan iletim yoludur.

İLERİBESLEME ELEMANLARI (Feedfonvard or Fonvard Element): Arzu edilen çıkışı

sağlamak üzere hata sinyaline tepki gösteren birimdir.

İLERİBESLEME YOLU (Feedfonvard Path): Hata sinyalinden denetlenen çıkış sinyaline

kadar uzanan iletim yolu.

AÇIK-DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ (Open-Loop Control System): Denetim faaliyetinin

denetim sistemi çıkışından bağımsız olduğu sistemdir. Açık-döngü denetimde arzu edilen

çıkışın denetlenen çıkış değişkeni ile hiçbir karşılaştırması yoktur (Şekil 1.3).

KAPALI-DÖNGÜ DENETİM SİSTEMİ (Closed-Loop Control System): Denetim faaliyeti

sistemin denetlenen çıkışına bağlı olduğu sistemdir (Şekil 1.4).

GERİBESLEMELİ DENETİM (Feedback Control): Denetlenen çıkış değişkenin ölçülüp

geri beslenerek arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırıldığı kapalı-döngü denetim sistemidir.

Sistemin çıkışı, arzu edilen çıkış değerini sağlayacak bir biçimde giriş niceliği üzerine etki

eder.

Açık-döngü ve kapalı-döngü denetim sistemleri arasındaki temel fark geribesleme etkisidir.

Geribesleme etkisi ise negatif geribesleme ve pozitif geribesleme olarak ikiye ayrılır. Negatif

geribesleme çıkışın girişe ters yönde etki ettiği ve pozitif geribeslemede çıkışın girişe aynı

yönde etkidiği sistem olarak tanımlanır. Endüstriyel denetim sistemlerinde uygulanan

geribesleme etkisi negatif türdendir.

DÜZENLEYİCİ DENETİM (Regülatör or Regulatory Control): Başvuru girişinin uzun

zaman aralıkları içersinde belli bir çalışma koşulu için, değişmez veya sabit tutulduğu

geribeslemeli denetim sistemidir. Düzenleyici denetimde sisteme etki eden bozucu girişlere

rağmen sistem çıkışının arzu edilen değerde tutulması esastır. Bu tür denetimde sabit bir

sinyal (ayar değeri) girişinde sabit kalıcı-durum çıkışı elde edilir.


SERVOMEKANİZMA VEYA SERVO (Servomechanism or servo): Çıkışın mekaniksel

konum, hız veya ivme olan geribeslemeli denetim sistemidir. Servo veya servomekanizma

ifadesi aynı zamanda güç yükseltme kalıcı durum hatası sıfırdır.

SÜREÇ DENETİM SİSTEMİ (Process Control System)'. Çıkışı sıcaklık, basınç, akış,

seviye ve pH gibi değişkenler olan düzenleyici denetim türünde geribeslemeli denetim

sistemidir. Süreç denetim, süreç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılır.

NÜMERİK DENETİM (Numerical Control): Genelde takım tezgahları ve diğer tür

makinelerde (örneğin dokuma makineleri) kullanılan konum denetim sistemi anlamında

kullanılır. Eski bir uygulama olup denetim delikli kartlar, mıknatıslı teyplerle yapılmaktadır.

Sisteme delikli kartlarla verilen bilgiler bugün artık sayısal bilgisayarlarla verilmektedir. Bu

tür denetim sistemleri ise doğrudan sayısal denetim adını almaktadır.

DOĞRUDAN SAYISAL DENETİM (Direct Digital Control): Tek döngülü örneksel

denetleyiciler grubunun yerini tek bir sayısal bilgisayar alır. Bu bilgisayarların daha yüksek

hesaplama yeteneği, daha karmaşık ileri denetim tekniklerinin uygulanabilmesini olanaklı

kılar.

UYARLAMALI DENETİM (Adaptive Control): Uyarlamak denetim, sistemin kendi

işlemlerini en iyi olası işlem tarzını sağlamak doğrultusunda uyarlayabilme yeteneğinde olan

sistemdir. Uyarlamalı denetim sistemlerinin tanımlama, karar verme ve düzeltme gibi üç temel

ilkesi vardır.

ÖĞRENMELİ DENETİM (Learning Control): Belirli bir düzeyde hesap-lama yeteneğine

sahip ve böylece, denetlenen değişkenin matematiksel modelinin tanımlarını geliştirebilen ve

işlemlerini bu yeni bilgiler doğrultusunda düzeltebilen denetim sistemi. Bu açıdan öğrenmeli

denetim, uyarlamalı denetimin gelişkin bir biçimidir.

BİLGİSAYARLI DENETİM (Computer Control): Denetim sistemlerinde bilgisayarların ve

mikroişlemcilerin kullanıldığı denetim türü olup gözetleyici denetim ya da optimizasyon

denetimi, doğrudan sayısal denetim ve düzey (hiyerarşi) denetimi şeklinde uygulanır.

GÖZETLEYİCİ DENETİM (Supervisory Computer Control): Ya da optimizasyon

denetiminde bilgisayar, dış ya da ikincil türden bir sığayla (kapasite) işler ve ilk denetim

sistemindeki düzenlenmiş konumları, ya doğrudan ya da işleticinin yardımıyla değiştirir.

Örneğin, bir kimyasal işlem, sıcaklığı termostatik olarak ayarlanan bir tankta gerçekleşebilir.


Gözetleyici denetim sistemi, çeşitli nedenlerle termostatın düzeyini yeniden ayarlayabilir.

Gözetleyici denetimin amacı, tesisin işletim düzenini korumak ve böylece giderleri düşürmek

ya da üretimi arttırmaktır.

DÜZEY DENETİMİ: Bir tesisteki tüm denetim durumlarına bilgisayarların uygulanması

yoluyla kurulur. Bu nedenle de, bir tesisin işletimindeki en yüksek yönetsel kararlardan bir

valfın çevrilmesine kadar her düzeyden etkinliği bütünleştirebilmek için, en gelişkin

bilgisayarlara ve otomatik denetim aygıtlarına gereksinim duyar.

UZAKTAN KUMANDA (Remote Control): Bir sistemde donanımı, aygıtları ve işlemleri

belli bir uzaklıktan çalıştırma imkanı sağlıyan denetim türüdür. Endüstriyel denetim

sistemlerinin büyük bir oranı bu sınıfa girmektedir. Bu tür denetimde gösterge, kaydetme ve

denetim aygıtları denetlenen sistemden birkaç yüz metre mesafeye yerleştirilebilinirler.

Böylece bir sistemde kumanda odasından denetlenen işleme veya sisteme ve sistemden

kumanda odasına sinyal aktarımı ya pnömatik ya da elektriksel biçimde olmaktadır.

DUYARGA (Sensor, Detector): Ölçülen ve dolayısıyla denetlenen niceliğin değerini

algılayan veya seçen bir aygıttır. Duyarga eleman veya algılama organı ölçme sistemi zincirin

ilk halkası olup duyarga ifadesi bazen sezici (detector), birincil organ veya dönüştürgeç

(transducer) yerine de kullanılmaktadır.

DÖNÜŞTÜRGEÇ {Transducer): Genel olarak herhangi bir enerji biçimini diğer bir enerji

biçimine dönüştüren aygıt olarak tanımlanır. Örneğin ışık enerjisini elektriksel enerjiye

dönüştüren fotoseller, mekaniksel enerjiyi elektriksel enerjiye dönüştüren potansiyemetreler

v.s. özellikle ölçme sistemi açısından bir enerji dönüştürme aygıtı olarak çalışan dönüştürgeç

uyarıyı ölçmenin konusu olan fiziksel ortamdan alır ve bu uyarıyı bir ölçme sistemi girişine

göre daha uygun olan bir sinyale dönüştürür.

ROBOT veya MANİPÜLATÖR {Robot or Manipülatör): İnsan müdahalesi gerektirmeden

otomatik olarak hizmet görmek üzere tasarımlanmış programlı bir aygıttır. Endüstriyel bir

robot veya manipülatör bir insanın bel, omuz, dirsek ve bilek hareketlerine denk serbestlik

dereceleri içeren bir kol ve eldeıî ibaret olup ulaşma mesafesi içerisindeki herhangi bir

noktaya uzanabilir ve iş parçalarını veya aletleri kolayca yakalayabilir. Robot, endüstride

özellikle malzeme aktarma işlevlerinin yerine getirilmesinde çok kullanılır. Robotlar

endüstriyel uygulamalarda büyük bir potansiyel arzetmekle beraber günümüzde daha çok,

makinalarm yüklenmesi ve boşaltılması, tekrarlamak istifleme, ayırma (tasnif), parçaların


konumlandırılması, aktarılması, kaynak, boyama (otomobil endüstrilerinde) işlemlerinde

yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

1.4 DENETİM SİSTEMLERİ VE TÜRLERİ

Denetim sistemlerini ve işlemlerini, bilinçli veya bilinçsiz günlük yaşantımızın her anında

kullanırız. Örneğin, insan vücudu ile ilgili fizyolojik denetim işlemleri olarak vücut

sıcaklığının denetimi, kan şekerinin ayarlanması, gözün ışığın şiddetine göre kısılması gibi

işlemleri sayabiliriz. Doğada benzeri denetim işlemlerinin binlerce örneğiyle karşılaşmak

mümkündür. Yine sosyal yaşamı doğrudan etkileyen denetim uygulamalarına rastlamak

mümkündür. Örneğin fiyat artışları (enflasyon) belli oranda pazardaki talebin azaltılması veya

paranın değerinin arttırılması yolu ile denetlenebilir. Endüstriyel anlamda bir sıcaklık denetim

sistemi bir kez ayarlandıktan sonra bizim müdahalemiz olmaksızın ortamın sıcaklığını

otomatik olarak belli bir değerde tutmak için sürekli olarak çalışabilir. .

Türü ne olursa olsun bir denetim sisteminde mutlaka denetleyen veya yöneten, yönlendiren ve

denetlenen veya yönetilen, yönlendirilen olmak üzere iki temel unsur vardır.

Bu anlamda üç temel denetim sistemi vardır: (i)Doğal denetim sistemleri, (ii) Endüstride

kullanılan insan yapısı denetim sistemleri ve (iii) Hem doğal ve hem de insan yapısı unsurlar

içeren karma denetim sistemleri. Karma denetim sistemlerinde denetim organı olarak doğal

unsur olan insan kullanılır. Örneğin, bir insanın bir otomobili belli bir rotaya göre sürmesi

gibi. Doğal denetim sistemleri esasında konumuz dışı olaylardır. Burada inceleme konusu

olan sistemler insan yapısı endüstriyel denetim sistemleridir.

Denetim sistemleri denetim etkisi açısından iki ana sınıfa ayrılır. Bunlar;

(i) Açık-döngü denetim sistemleri ve

(ii) Kapalı-döngü denetim sistemleri;

(i) Açık-döngü denetim sistemlerinde denetim eylemi sistem çıkışından bağımsızdır. Açık-

döngü sistemlerde çıkışın ölçülmesi ve geribeslenmesi söz konusu değildir. Dolayısıyla

sistemin girişi çıkış bilgisinden haberdar olmaz.

Uygulamada açık-döngü denetim sistemleri giriş-çıkış bağıntıları önceden belli olan ve iç

veya dış bozuculara maruz kalmayan sistemlerde kullanılır. Çıkış ve girişin bir karşılaştırması


yapılmadığından sistemin çalışma doğruluğu yapılan kalibrasyonun (ayarlama) derecesine

bağlıdır. Açık-döngü denetim sistemleri ya zamanlama ya da sıralama esasına göre çalışırlar.

Örneğin, otomatik çamaşır makinelerinde olduğu gibi, sistem girişi bir program şeklinde

verilir ve sistem program sırasını izler. Trafik ışıklarının denetimi örneğinde ise program

zaman esasına göredir. Işıkların yanıp sönmesi belli bir sırada belli bir zaman süresi kadardır.

(ii) Kapalı-döngü denetimde; denetim etkisi sistem çıkışına bağlıdır. Sistemin çıkışı ölçülüp

geribeslendikten sonra arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırılır. Böylece sistemin girişi

çıkıştan haberdardır. Sistem çıkışı geri beslenerek girişe uygulandığından bu tür sistemlere

aynı zamanda geribeslemeli sistemler de denir. Açık-döngü sistem ile kapalı-döngü sistemi

birbirinden ayıran en önemli unsur geribesleme etkisidir. Geribesleme etkisi ise, negatif

geribesleme ve pozitif geribesleme olmak üzere iki şekilde olur.

Negatif geribeslemede, çıkıştaki değişimler girişe ters yönde etki eder. Böyle bir sistemde

çıkış, arzu edilen değere göre bir artış gösterecek olursa denetim etkisinin azaltılarak çıkışın

istenen değere geri dönmesi sağlanır.

Aksi bir durumda, eğer çıkış arzu edilen değere göre bir azalma (negatif değişme) gösterirse

denetim etkisi artırılarak çıkışın istenen değere yükselmesi sağlanır. Negatif geribeslemede

daima giriş ile çıkışın bir farkı alınır ve bu fark negatif veya pozitif değerli olabilir. Denetim

organına bir hata girişi olarak iletilen bu değer, yukarıda da açıklandığı gibi, çıkışın istenen

değere getirilmesini ve bu değerde sabit tutulmasını sağlar. Negatif geribesleme endüstriyel

sistemlerin en önemli özelliğidir ve daima hatayı en küçük değer de tutmaya veya sıfır

yapmaya çalışır.

Pozitif geribeslemede çıkış girişe aynı yönde etki eder. Buna göre çıkışta herhangi bir artış

meydana gelecek olursa bu giriş ile toplanarak hata sinyalinde bir artış ve dolayısıyle de

denetim sinyalinde bir artış meydana getirir. Bu sistemde çıkışı daha da artıracak yönde bir

etki yaratır. Sonuçta artış sistemin fiziksel sınırlamalarına kadar devam eder ve sistem

denetlenebilirliliğini kaybeder. Pozitif geribesleme iç döngüler hariç bir kapalı-döngü denetim

sisteminde kullanılmaz.

Denetim sistemleri uygulama alanları ve çalışma biçimlerine göre, düzenleyici denetim,

izleyici denetim, servomekanizma denetim gibi isimler de alırlar. Endüstriyel alanda

kullanılan bu sistemlerin tümü negatif geribeslemelidir.


Düzenleyici denetim sabit bir ayar değeri esasına göre çalışan ve sistem çıkışın, tüm bozucu

girişlerin varlığına rağmen sabit değerde tutmaya çalışan denetim sistemi çalışmasıdır.

Sıcaklık, seviye, debi, basınç v.b. değişkenlerin denetiminde kullanılan bu çalışma biçimi

yaygın olarak süreç endüstrilerinde kullanılır.

İzleyici denetimde giriş değişken olup sistem çıkışı bu girişi izlemeye çalışır. Burada sistem

çıkışının hem başvuru girişi ve hemde bozucu girişten doğan değişmeleri izlemesi ve arzu

edilen değere getirilmesi esastır. Bu tür denetim daha çok imalat endüstrilerinde, uzay taşıt

araçlarında kullanılır. Örneğin takım tezgahlarında kesici bıçağın bir şablonu izleyerek istenen

parça biçimini işlemesi bu türden çalışma olur. İzleyici denetim daha çok konum denetim

sistemi şeklindedir.

Servomekanizma, mekaniksel çıkışlı güç yükseltilmesi gerekli sistemlerde kullanılır. Yerine

göre izleyici türde, yerine göre de düzenleyici türde çalışabilir. Örneğin, büyük güç

yükseltmesi gereken konum servomekanizması izleyici türde, buna karşılık bir hız denetim

servomekanizması düzenleyici türde denetim çalışması gösterir. Endüstriyel alanda ise örneğin,

sıcaklık yanında, basınç, debi, seviye gibi diğer değişkenlerin denetimi de gerekebilir. Böyle

bir durumda tek girişli-tek çıkışlı bir denetim sistemi yeterli olamaz. Modern endüstriyel

sistemler daha çok çok girişli-çok çıkışlı sistemlerdir ve hatta bu giriş ve çıkışlar arasında

karşılıklı etkileşimler de mevcut olabilir. Bu tür denetim sistemlerinin temel yapısı yinede

geribeslemeli biçiminde olmakla beraber sistem içinde birden fazla döngü yer alır. Çeşitli

giriş ve çıkışlar arasında en uygun denetim sinyalini sağlamak için daha çok bilgisayarlardan

ve mikroişlemcilerden yararlanılır. Bu kitapta daha çok tek girişli-tek çıkışlı doğrusal

sistemler ele alınacaktır.

1.5 DENETİM SİSTEMLERİNİN YAPISI VE KULLANIM ALANLARI

Endüstriyel anlamda bir denetim sistemi; (i) denetlenen sistem veya süreç ve (ii) denetim

elemanları donanımı olmak üzere iki ana kısımdan ibarettir. Denetim organları donanımı ise

(i) ölçme sistemi, (ii) karşılaştırma elemanı, (iii) denetim organı, (iv) sürücü veya kumanda

elemanından meydana gelir (Şekil 1.2). Denetlenen sistem ve denetim elemanları donanımı

birbirlerine karşılıklı olarak birtakım hatlarla bağlanmıştır. Bunlar; (i) süreç ürünlerinin aktığı

enerji ile ilişkili olanı, süreç hattı, (ii) ölçme ve denetim sinyalleri aktığı hat, bilgi veya sinyal

hattı ve (iii) denetim elemanları ve sistem çalıştıran cihazlar için gerekli gücün aktığı, güç

hattı isimlerini alırlar.


Ölçme sistemi, duyarga veya duyar eleman ve sinyal kuvvetlendirme-şartlandırma olmak

üzere iki kısımdan ibarettir. Ayrıca denetlenen değişkenin ölçülen değerinin bilinmesi

gerekiyorsa birde gösterge elemanı bulunabilir. Duyarga sistemin çıkışındaki değişmeleri,

gözlenebilir ve denetlenebilir bir biçimde sistem girişi ile aynı fiziksel büyüklük cinsine

dönüştürür. Genellikle duyarga çıkış zayıf bir sinyal olup kuvvetlendirilmesi gerekir.

Kuvvetlendirici devresi genellikle bir dış güç kaynağından enerji çekerek denetim döngüsü

için gerekli güçte bir sinyal sağlar. Tüm denetim sistemi döngüsünün hassasiyeti ölçme

sisteminin hassasiyetine bağlıdır. Bu nedenle denetim sisteminin hassasiyeti ölçme sisteminin

hassasiyetinden daha yüksek olamaz.

Genellikle karşılaştırma elemanını da içine alan denetim organı; sistem çıkışının denetim

amaçlarına uygunluğunun saptanması ve sistemi denetim amaçlan doğrultusunda yönetmek

için gerekli denetim değişimlerini belirlemek gibi işlevleri yürütür. Denetim organın temel

görevi karşılaştırıcıdan kendisine hata veya sapma olarak iletilen giriş bilgisine göre denetim

sinyali şeklinde uygun karar üretmektir. Denetim organı fiziksel yapısı günümüzde daha çok

elektronik ve pnömatik olmaktadır. Elektronik olarak benzeşik (analog) devrelerden meydana

gelebildiği gibi sayısal devrelerden meydana gelebilir. Sayısal devrelerden (mikroişlemci)

meydana gelmiş denetim organı aynı zamanda gerekli hesaplamaları yapabilme yeterliliğine

de sahiptir.

Son denetim organı veya motor eleman adlarını da alan kumanda elemanı denetlenen sistemi

doğrudan etkileyen sürücü bir elemandır. Son denetim elemanı denetim organından aldığı

denetim sinyaline bağlı olarak dış enerji kaynağından aldığı güçle bir hareket üretir. Bu

hareket denetlenen değişkenin enerji akışını modüle eder. Kullanılan enerjinin biçimine bağlı

olarak motor elemanı, elektriksel, pnömatik veya hidrolik yapıda olabilir. Uygulamada

genellikle motor elemanın yapısına bağlı olarak denetim elemanları da elektriksel, pnömatik

veya hidrolik denetim elemanı isimlerini alırlar.

Çok küçük hacimlerde büyük güçler sağlayan hidrolik sistemlerin özel kullanım alanları

mevcuttur. Bunlarda 104 ila 108 mertebelerinde güç yükseltmeleri mümkündür.

Elektrik enerjisinin her yerde kolaylıkla sağlanabilir olması ve elektronik teknolojisindeki

gelişmeler günümüzde elektriksel sistemleri çok yaygın olarak kullanılır hale sokmuştur.

Pnömatik sistemler, özellikle yangın tehlikesi olan yerlerde kullanılmaktadır.


Ayrıca bu sistemlerin bileşimi olan karma sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bunlardan çoğunlukla denetim sistemi döngüsünün ölçme sistemi ve karşılaştırma elemanları

elektriksel-elektronik olarak çalışmakta, motor elemanı ise elektriksel pnömatik veya hidrolik

yapıdadırlar.

Kesin çizgilerle olmamakla beraber imalat endüstrilerinde izleyici veya servomekanizma

biçimi çalışan denetim sistemleri ve süreç endüstrilerinde ise düzenleyici (regulatory) biçimde

çalışan denetim sistemleri kullanılmaktadır. Takım tezgahlarında konum denetim sistemleri,

kağıt fabrikalarında ve dokuma makinalarmda gergi denetim sistemleri, metal çekme

makinalarmda kalınlık denetimi, robotikler v.b. servomekanizma biçimi çalışan sistemlerdir.

Ayrıca servomekanizmaların, füze rampaları ve güdümlü füzelerin konumlandırılması, radar

antenlerinin ve teleskopların yönlendirilmesi, otomatik dümen sistemleri, hava taşıtlarının

otomatik seyri gibi özel kullanım alanları da mevcuttur. Seviye, sıcaklık, basınç, debi gibi

değişkenlerin denetlendiği süreç denetim sistemleri düzenleyici (regulatory) biçimde

çalışırlar. Bunun dışında, elektrolit kaplama kalınlığının denetimi, gaz-karışımı denetimi,

harmanlama sistemleri, nükleer reaktörde tepkime denetimi sıvılarda kimyasal konsantrasyon

denetimi v.b. leri endüstrilerinde kullanılan denetim sistemleridir.

Süreç denetim sistemlerinin tasarım felsefesi servomekanizmaların tasarım felsefesinden

oldukça farklıdır. Bununla beraber, denetim sistemlerinin tüm dallarında ilgili analitik

problemler benzerdir ve pekçok analiz ve sentez teknikleri ve test yöntemleri ortaktır.

1.6 DENETİM SİSTEMLERİNİN TASARIM İLKELERİ

Denetim sisteminin amacı denetim büyüklüğünün girişteki arzu edilen değere uygun tutmaktır.

Düzenleyici (regulatory) tipinde çalışan süreç denetim sistemlerinde girişte sabit bir başvuru

değeri veya ayar değeri uygulanmakta, denetlenen büyüklüğün ayar değerinde olması, diğer

bir deyişle hatanın sıfır veya önemsenmeyecek kadar küçük olması istenir. İzleyici denetim

tipinde çalışan servomekanizmalarda ise çıkıştaki denetim büyüklüğünün değişken giriş

sinyalini hatasız bir şekilde izlemesi istenir. Ancak sisteme etki eden bozucu büyüklükler

denetim büyüklüğünü arzu edilen giriş değerinden saptırmaya çalışır. Bir denetim sisteminden

istenen başvuru değerinden uzaklaşan denetim büyüklüğünü yeniden başvuru değerine

erişmesini sağlamaktır.


Ayrıca başvuru değerinde herhangi bir değişim olduğu zaman denetim büyüklüğü bu yeni

başvuru değerine erişmeli ve düzenli bir şekilde bu değeri korumalıdır. Denetim sistemin bu

durumuna sürekli-durum veya kalıcı-durum çalışması denir. Denetim sistemlerinin kalıcı-

durum çalışmasına erişinceye kadar gösterdikleri çalışma şekline ise "geçici-durum" çalışması

adı verilir. Denetim sistemlerinin çözümlemelerinde geçici-durum ve kalıcı-durum çalışmaları

ile ilgili olarak aşağıdaki özellikleri sağlayıp sağlamadığı araştırılır.

i) Kararlı çalışma: Herhangi bir denetim sistemi herşeyden önce kararlı olmalıdır. Kararlı bir

çalışma sağlamayan denetim sistemi hiçbir işe yaramaz. Bir denetim sisteminin kararlılığı

denilince sistemin sınırlı bir giriş değerine karşılık sınırlı bir çıkış değeri vermesi anlaşılır.

Burada bir denetim sisteminde büyüklüğü bozucu etkenler sonucu kalıcı durum değerinden

sapma gösterdiğinde önceki kalıcı-durum değerine veya başvuru değerinde bir değişim

olmuşsa yeni kalıcı-durum değerine kararlı bir geçiş durumu ile erişmesi istenir. Yalnız bir

sistemin mutlak kararlı olup olmadığını bilmek çoğu durumlarda yeterli olmayıp genellikle

sistemin kararsız olmaya ne kadar yakın olduğunun da bilinmesi gerekir. Yani sistemin bağıl

kararlılığını bulmak gerekir.

Bir denetim sisteminin kararlılığı sistemin kendi yapısına bağlı olup başvuru girişinden ve

bozucu girişlerden bağımsızdır.

ii) Geçici durum çalışması halinde hızlı cevap: Bir denetim sisteminin geçici durum

çalışmasında denetim büyüklüğünün kalıcı durum değerine mümkün olan en kısa zamanda

erişmesi diğer bir deyişle uyarılara hızlı bir cevap vermesi istenir. Cevap hızlılığı sistemin

kazancı ile artar.

iii) Kalıcı-durum davranışı: (Kalıcı-durum doğruluğu veya müsaade edilebilinir hata) Bir

denetim sisteminde kalıcı-durum çalışmasında hataların sıfır veya önemsenmeyen değerlerde

tutulması istenir. Bu durum denetim sisteminin duyarlılığı (sensivity) ile ilgili olup sistemde

hata sıfır ise yani denetim büyüklüğü başvuru değerine eşitse ve kalıcı-durum çalışmasında

sıfır hata korunabiliyorsa "duyarlılık" gayet yüksektir denir. Duyarlılık sistem kazancı ile

artar. Hata değerini sıfırda tutmak pek kolay ve ekonomik bir iş olmayıp genellikle denetim

büyüklüğü başvuru değerini artı eksi bir tolerans sınırı içinde korur. Bu tolerans sınırı ne kadar

dar ise duyarlılık o kadar yüksek olur.


İdeal olarak bir denetim sisteminin çok kararlı, çok hızlı ve çok duyarlı olması istenir. Diğer

taraftan çok hızlı ve duyarlı sistemler kararsız çalışmaya eğilimlidir. Şöyle ki kalıcı-durum

hatasını en aza indirmek ve cevap hızını artırmak için sistemin duyarlılığını artırmak gerekir

ki bu da diğer taraftan sistemin kararlılığını azaltmaktadır. Denetim sistemlerinin tasarımında

bu iki temel özellik arasında uygun bir uzlaşma sağlanmaya çalışılır.

1.7 OTOMATİK DENETİM SİSTEMİ UYGULAMALARI

Doğada, çevremizde, günlük işlerimizde ve endüstriyel alanda kullandığımız sınırsız sayıda

denetim sistemi örneklerine rastlamak mümkündür. Doğadaki örneklerini, ekolojik denetim

sistemi, kan basıncı denetim sistemi, solunum denetim sistemi, adrenalin denetim sistemi v.s.

çevremizdeki örneklerini, ekonomi denetim sistemi, sosyoloji denetim sistemi v.s. günlük

işlerimizdeki örneklerini, ütü, buzdolabı, banyo sıcak su kazanı gibi yerlerde kullanılan

sıcaklık denetim sistemleri ve endüstriyel alanındaki örneklerini ise, süreç ve imalat

endüstrilerinde kullanılan sıcaklık, basınç, debi, pH, konsantrasyon, konum, hız v.b. denetim

sistemleri olarak sayabiliriz.

Doğada bulunan ve endüstride kullanılan denetim sistemlerinin çok büyük bir çoğunluğunu

kapalı-döngü geribeslemeli denetim sistemleri teşkil eder. Açık-döngü denetim sistemleri

uygulamalarının sayısı ise oldukça sınırlıdır. Evlerimizde kullandığımız tam otomatik çamaşır

makinası, trafik akışını düzenleyen trafik lambaları, imalat endüstrilerinde kullanılan sıralama

denetim sistemleri v.b. açık-döngü denetim sistemi örnekleri olarak ele alınabilir.

Tam otomatik çamaşır makinesi kendisine program olarak sunulan önceden saptanmış belli

bir işlem sırasına göre çalışır. Amacı belli bir temizlikte yıkanmış çamaşır elde etmektir.

Kendisine belli bir program şeklinde verilen ayar değerlerine göre, yıkama, durulama,

yumuşatma, sıkma v.b. işlemleri sırasıyla yerine getirir ve sonuçta çıkış olarak belli temizlikte

yıkanmış çamaşır elde edilir. Her ne kadar yıkama işlemi sırasında kullanılan suyun ısıtılması

termostatik bir düzenekle geribeslemeli olarak yerine getirilmiş olsa da, sistemin esas giriş

olan çamaşırların arzu edilen temizlik derecesi ile sonuçta gerçeklenen temizlik derecesinin

işlem sırasında bir karşılaştırması yoktur. Elde edilen temizlik derecesi arzu ettiğimiz temizlik

derecesine eşit olabilir veya olmayabilir. Dolayısıyla sistem denetim eylemi açısından açık-

döngü denetim tipindedir. Trafik ışıkları yoluyla yapılan trafik denetim sistemi de açık-döngü

şeklinde çalışır. Ortalama trafik yoğunluğuna göre belli bir merkezden zaman esasına göre

ayarlanan trafik ışıklarının sırasıyla yanıp sönmesi trafiğin sıkışmadan akmasını sağlamaya


çalışır. Fakat yeşil ışığın yanma süresi her zaman bekleyen trafiğin tamamının geçişini

sağlamayabilir. Çünkü burada arzu edilen trafik akışı, girişin gerçekleşen trafik akışı, çıkış ile

bir karşılaştırması yoktur.

a) Elle denetim

b) Otomatik denetim

Şekil 1.4 Sıcaklık denetim sistemi

Kapalı-döngü denetim sistemi örneği olarak Şekil 1.4'de görülen basit bir sıcaklık denetim

sistemi ele alınabilir. Şekil 1.4a'da elle çalışan kapalı-döngü denetim ve Şekil 1.4b'de ise

tamam otomatik denetim organları ile gerçeklenen kapalı-döngü denetim sistemi örneği

verilmiştir.

Elle denetimde denetim döngüsü insan unsuru ile kapanır. Burada insan hem karşılaştırma ve

hem de denetim organı işlevlerini yerine getirir. Arzu edilen sıcaklık giriş olarak insanın

belleğine daha önceden verilmiştir. İnsan sıcaklık ölçerle belirlenen, denetlenen çıkış

sıcaklığını gözleri vasıtasıyla algıladıktan sonra belleğindeki giriş bilgisi ile karşılaştırır.

Arada bir fark var ise bunu hata olarak görür ve bu hatayı düzeltici yönde işlem yapar.

Burada; eğer gözlenen çıkış sıcaklığı arzu edilen sıcaklıktan yüksekse sisteme buhar biçimde

bir vanadan giren ısı enerjisi miktarı insan kas gücü ile kısılır veya tersi bir durumda ısı

enerjisi miktarı artırılır. Kas gücü motor eleman işlevini yerine getirir. Şekil 1.4b'de ise

insanın yerini bir denetim organı almıştır. Arzu edilen giriş denetim organı üzerinde yer alan

bir düğme veya benzeri elemandan ayar değeri olarak belirlenir. Denetlenen çıkış sıcaklığı ise

bir sıcaklık ölçerin duyargası ile algılanıp denetim organının anlayabileceği sinyal yapısına

dönüştürülür ve denetim organında arzu edilen giriş sinyali ile karşılaştırılır. Giriş ve çıkış

arasında meydana gelebilecek herhangi bir fark hata olarak belirlendikten sonra denetim organı


bu hatayı düzeltecek bir denetim sinyali üretir. Denetim sinyali, bu sistemde motor vana olarak

gösterilen motor elemanı harekete geçirerek sisteme giren ısı enerjisi miktarını kısar veya açar.

Her iki denetim şeklini karşılaştıracak olursak her ikisinin de geribeslemeli kapalı-döngü

denetim sistemi olduğunu görürüz. Elle denetimde ölçülen çıkış değişkenin algılanması ve

bunu arzu edilen giriş değeri ile karşılaştırması ve meydana gelen hata sinyaline uygun bir

düzeltme işleminin yerine getirilmesi hep insan tarafından sağlanmaktadır. İkincisinde ise

insanın yerini bir otomatik denetim organı almıştır. Denetim organı insanın duyu organları ve

kas gücü ile yaptığı işlemleri otomatik olarak yapar. Bunun için de denetim organı

donanımında kullanılan ölçü sistemi donanımı, karşılaştırıcı, motor elemanın elle

çalışanlardan farklı olmalıdır. Ölçü sistemi duyargasından algıladığı ölçülen fiziksel

büyüklüğü karşılaştırma noktasında anlaşılan bir sinyale (giriş ile aynı cinsten)

dönüştürebilmen ve motor elemanında hata sinyaline bağlı olarak üretilen denetim sinyaline

cevap verebilmesi gerekir. Bu sinyaller genellikle denetim organı çalıştırmak için kullanılan

enerji (elektriksel, pnömatik, hidrolik) cinsinden olurlar.

Her iki sistemi; elle denetim de ve otomatik denetim açısından ele alacak olursak otomatik

denetimin elle denetime göre belli başlı özelliklerini ortaya koyabiliriz. Özellikle bu örnekte

olduğu gibi insan için sadece bir ölçü aletini gözleyip buna göre bir vanayı açıp kapama

işlemi basit, hiçbir yaratıcılık gerektirmeyen, monoton ve can sıkıcıdır. Bir insanın tepki

süresi 0.8 saniyenin üzerine çıkmaz. Buna karşılık otomatik denetim organlarının tepki süresi

milisaniyeler ve hata bazen mikrosaniyeler mertebelerindedir. Ayrıca insan aynı ürünü sürekli

olarak aynı standartta üretemez. Endüstride üretimi, verimi arttırmak ürünlerin kalitesini

yükseltmek açısından otomatik denetim gerekli olmaktadır.

Şekil 1.5'te kapalı-döngü sıvı seviye sisteminin dört farklı yapıda denetim organı ile çalışması

verilmiştir. Her üç sistemde de denetim sistemin amacı aynı olup sıvı seviyesini sabit bir

değerde tutmaktır. Şekil 1.5a sistem basit mekaniksel olarak çalışan denetim organı ile

donatılmıştır. Sıvının seviyesi şamandıra yardımıyla algılandıktan sonra manivela kolunda

arzu edilen seviye ile karşılaştırarak aradaki fark hata sinyali olarak düzeltme işlemi için

vananın tapa çubuğuna iletilir. Sonuç olarak şamandıraya etki eden kaldırma kuvveti,

manivela-mafsal çubuk mekanizması vasıtasıyla doğrudan doğruya vanaya iletilir ve vananın

açılma veya kapanma yönünde hareket etmesini sağlar. Mekaniksel olarak çalışan denetim

organı için dışarıdan uygulanacak hiçbir enerjiye gerek yoktur. Küçük hacimli depolarda


Şekil 1.5 Çeşitli sıvı seviye sistemleri

suyun kaldırma kuvveti bir vananın açılıp kapanması için yeterli olabilir. Buna karşılık eğer

buradan saniyede geçen sıvı miktarı ve sistem basıncı artacak olursa böyle bir denetim sistemi

yetersiz kalır. Şekil 1.5b'de aynı sistemin pnömatik enerji ile çalışan denetim organı ile

çalışması görülmektedir. Burada şamandıra yine sıvı seviyesini ölçmek için kullanılmakta,

yalnız bu kez sıvının kaldırma kuvveti doğrudan doğruya valf açmak için kullanılmamış

bunun yerine basınçlı hava enerjisinden yararlanılmıştır. Şamandıraya bağlı manivela

çubuğunun bir ucu basınçlı havanın atmosfere boşaltıldığı lülenin önünü açmak veya kapama

işlevini yerine getirir. Lülenin önü kapanınca atmosfere gidemeyen hava lüle arkasında bir

basınç oluşturur. Bu basınç pnömatik motor vananın diyaframı üzerinde bir basınç kuvveti

oluşturarak vananın kısılıp sisteme daha az sıvının girmesini sağlar. Tersi bir durumda diyafram

üzerine etki eden basmç kuvveti azalacak ve buna karşılık karşı yönden etkiyen yay kuvveti vanayı

açmaya çalışacaktır. Sonuçta yine sıvı seviyesi öngörülen sabit bir değerde tutulmaya çalışılacaktır.

Yalnız burada denetim organı donanımının dışarıdan verilen enerji ile çalışması yanında sistemin


hassasiyeti artmış, hata oranı azalmış ve denetim kapasitesi yükselmiştir. Mekaniksel sistemin

çubuk bağlantılarındaki boşluklar denetim hassasiyetini azaltır. Laçkalık olarak bilinen bu olayda

sistemin girişinde meydana gelen çok küçük değişimler aynı oranda çıkışa iletilemez. Ayrıca

mafsallarda karşılaşılan sürtünme kuvvetleri de kuvvetin aynı oranda iletilmesini önler. Bu nedenlerle

mekaniksel sistemin çalışma alanı sınırlı kalmaktadır.

Şekil 1.5c'de daha fazla hassasiyet ve denetim kuvveti gerektiren yerlerde kullanılan hidrolik

enerji ile çalışan denetim sistemi örneği gösterilmiştir. Suyun seviyesine göre hareket eden

şamandıranın bir ucu hidrolik valf-silindir sisteminin valf sürgüsünü hareket ettirerek basınçlı

hidrolik yağın silindir alt veya üst bölmesine girmesini sağlar. Basınçlı yağın silindirin alt

bölmesine etki ettirilmesi halinde sıvı denetim vanası açılarak sisteme daha fazla sıvının

girmesine ve aksi bir durumda ise vananın kısılarak sisteme giren sıvının azalmasına neden

olur. Pnömatik sistemlerde kullanılan basınç 5-10 bar mertebesinde buna karşılık hidrolik

sistemlerde 100-150 bar mertebesindedir. Bu nedenle büyük denetim kuvveti gerektiren

yerlerde örneğin barajlarda su seviyesinin denetiminde, hidrolik denetim sistemi daha

kullanışlı olmaktadır. Ayrıca pnömatik sistemlerde kullanılan gaz akışkanı sıkıştırılabilinir,

buna karşılık hidrolik sistemlerde kullanılan sıvı akışkanın sıkıştırılabilirliliği ihmal edilebilir

mertebededir. Bu da hidrolik sistemlerin daha hassas ve daha rijit çalışmasını sağlar.

Aynı sıvı seviye sistemini elektrik enerjisi ile çalışan denetim organı ile donatmakta

mümkündür(Şekil 1.5d). Örneğin şamandıranın hareketli bir potansiyometrenin hareketli

ucuna bağlanarak sıvı seviyesine orantılı bir gerilim sinyali sağlanabilir. Bu gerilim sinyali

arzu edilen sıvı seviyesine karşılık gelen ve denetim organı üzerinde ayar değeri olarak

verilen elektrik sinyali ile karşılaştırılır. Meydana gelen fark sinyal hata sinyali olarak bir

elektronik kuvvetlendiricide kuvvetlendirildikten sonra akışkan vanasını açıp kapayabilen bir

elektrik motorunu çalıştırabilir. Sistemdeki sıvı seviyesinin durumuna göre vana az veya çok

açılarak seviyenin belli bir değerde sabit tutulması sağlanmış olur. Elektriksel olarak çalışan

sistemler her ne kadar hidrolik sistemler kadar güçlü değilseler de yine bir takım üstünlükleri

vardır. Herşeyden önce elektrik enerjisini her yerde hazır olarak bulmak mümkündür. Diğer

yandan pnömatik veya hidrolik sistemlerde de sinyal aktarımı, iletişim ve karşılaştırma

elektriksel olabilir. Bu nedenle günümüzde pek çok sistem karma şekilde (elektro-pnömatik,

elektro-hidrolik) çalışır.


Şekil 1.6'da ayar değeri zamana bağlı olarak değiştirilen geribeslemeli sıcaklık denetim

sistemi görülmektedir. Endüstriyel tav fırınlarında sıcaklığı belli zaman aralıklarında belli

değerlerde sabit tutulması kadar bu sıcaklığın zamanla değişimi de önemlidir. Tavlanacak

malzemenin özelliğine bağlı olarak belli bölgelerde sıcaklığın yavaş yavaş ve belli bölgelerde

hızla yükselmesi veya düşürülmesi gerekir.

Şekil 1.6 Ayar değeri zaman bağlı değiştirilen sıcaklık denetim sistemi

Şekil l.6-a'da bu değişikliği bir zaman rölesine bağlı kam mekanizması ile mekaniksel olarak

yerine getirilmektedir. Eski bir sistem olan bu mekaniksel denetim mekanizması belli zaman

aralıkları için kam mekanizmasının belirlediği ayar değeri kapalı döngü çalışan fırın içi

sıcaklığının sabit bir değerde tutulmasını sağlar. Örneğin fırın içi sıcaklığın o an için

belirlenen değerin altına düşmesi halinde sıcaklık duyargası içinde yer alan akışkanda bir

büzülme meydana gelecek ve buna bağlı olarak yaylı körük yakıt vanasını açma yönünde

hareket ettirerek sisteme daha fazla ısı enerjisi sağlayacaktır. Aksi bir durumda ise sıcaklık

ölçer duyargasında yer alan akışkan genleşerek körüğü şişirmeye çalışacak ki bu da yakıt

denetim vanasının daha fazla açılmasını sağlayacaktır. Böylece kam mekanizması yoluyla

sisteme yeni bir ayar değeri verilene kadar sistem bu sıcaklık değerinde sabit tutulmaya

çalışılacaktır. Şekil l.6-b'de aynı sistem için günümüzde kullanılan mikroişlemci denetim

yapısı verilmiştir. Bu şekilde mekaniksel denetim organının yerini elektronik denetim organı

almış, fakat sistemin denetim mantığı aynı kalmıştır. Mikroişlemcili denetici hem A/D, D/A

çeviriciler ve hem de bellek içeren komple EPROM'lu programlanabilen deneticilerdir.

Bunlar elektronik teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak gerektiğinde tekbir geribesleme

döngüsü için kullanılabilecek kadar ucuz tahsisli denetim organlarıdır. Burada sıcaklık


algılayıcısının yapısı ile denetim valfınin yapısı, bir önceki yapıya göre değişiklik gösterir. En

önemli özelliği, sıcaklık algılayıcısı sıcaklığa bağlı olarak elektriksel sinyal üretmekte ve

denetim valfi de elektriksel sinyal yolu ile kumanda edilebilmektedir. Denetim valfi, valfın

hareketini sağlayan enerjinin türüne bağlı olarak elektromekanik (elektrik motoru) veya

elektroakışkan (elektropnömatik veya elektrohidrolik) türden olabilir.

Gerek birinci örnekte ele alınan sıcaklık denetim sistemi gerekse ikinci örnekte ele alman sıvı

seviye denetim sistemi düzenleyici (regülatory) türünde çalışan denetim sistemi örnekleridir.

Bunlarda temel özellikle sisteme etki eden tüm bozucu girişlere rağmen sistemin denetlenen

çıkışının ayar değeri ile belirlenen bir değerde sabit tutmak esastır. Şekil 1.7a'da bir zamanlar

takım tezgahlarında kullanılan izleyici türde çalışan bir hidrolik servomekanizma tipi,

mekaniksel kumandalı denetim sistemi verilmiştir. Giriş olarak işlenecek parçanın biçimi

şablon şeklinde hidrolik valfın sürgüsüne etki ettirilmektedir. Silindir pistonun konumu olarak

elde edilen çıkış işareti girişteki değişimleri aynı biçimde izlemek durumundadır. Şablonun ve

işlenecek parçanın bağlandığı kızak yatay düzlemde ileriye doğru hareket ettirilmektedir.

Şekil 1.7 İzleyici denetim

Şablonu izleyen valf sürgüsü silindire giden basınçlı yağ akışını silindirin alt veya üst

bölmesine yönlendirir. Silindirin hareketi aynı zamanda silindir ile valf gövdesi arasında yer

alan ankastre çubuk ile anında geribeslenerek giriş ile mukayese edilir. Dolayısıyla silindir

giriş ile çıkış arasındaki farktan doğan hatayı düzeltecek oranda hareket eder. Bu sistem aynı

zamanda servomekanizma tipi denetim sistemine de örnek teşkil eder. Sistem çıkışı görüldüğü

gibi mekaniksel bir hareket olan piston çubuğunun konumudur. Ayrıca giriş ile çıkış arasında


oldukça büyük kuvvetlendirmeler elde edilmektedir. Valf sürgüsünün şablonun yüzeyine hafif

şekilde teması sonucu kesme bıçağının işlenen parçayı derin bir şekilde kesmesi

sağlanmaktadır. Uygulamalarda hidrolik servomekanizmalarla 106-108 mertebelerinde

büyütmeler elde etmek mümkündür. Şekil 1.9b de aynı sistemin günümüzde CNC takım

tezgahlarında kullanılan bilgisayar denetimli yapısı verilmiştir. Burada CNC tezgahında iki

veya üç eksenli hareketin yalnızca tek bir ekseni gösterilmiştir. Diğer eksenler de aynı

biçimde denetlenmektedir. Genellikle her bir eksende bir mikroişlemci veya mikrodenetici

bulunan bu sistemde bilgisayar bu eksenlerin koordinasyonunu sağlamaktadır. Burada

şablonun yerini bilgisayar üzerinden yüklenilen yazılım programı almıştır. Böylece daha

esnek ve daha hassas bir imalat yapmak mümkün olmaktadır. Günümüzde enkoder

geribeslemeli bu sistemlerle 10-20 m hassasiyetinde parça işlemek mümkündür.

Buraya kadar verilen örneklerde tek girişli-tek çıkışlı sistemleri ele aldık. Endüstride pekçok

uygulamada sistemler daha karmaşık olup birden fazla giriş ve çıkış değişkenine sahiptirler.

Çok girişli-çok çıkışlı sistemlerin basit geleneksel yöntemlerle denetimi oldukça güçtür.

Günümüzde çok girişli-çok çıkışlı sistemler bilgisayar yardımıyla denetlenmektedir. Şekil

1.8'de buhar türbini ile çalışan çok girişli-çok çıkışlı elektrik üretim sisteminin bilgisayar

yardımıyla denetimi verilmiştir. Sistemin belli başlı girdileri besleme suyu yakıt ve hava olup

bunlara ait giriş değişkenleri arzu edilen sıcaklık, basınç, oksijen ve arzu edilen elektrik,

olarak belirlenmiştir. Sistem çıktısı ise gerçekleşen elektrik üretimidir. Ölçü sistemi donanımı

olarak sistemin değişik bölümlerine yerleştirilmiş bulunan oksijen ölçümü, sıcaklık ölçümü ve

basınç ölçümünü görmekteyiz. Ayrıca sistemde bir de hız düzenleyicisi yer almaktadır.

Dolayısıyla sistemin çeşitli kademesinde oksijen miktarının denetimi sıcaklık denetimi, basınç

denetimi ve hız denetimi gerçeklenmekte ve sonuçta da elektrik üretimi denetlenmektedir.

Burada bütün bu değişkenler arasında uygun bir denetim sağlayan organ bilgisayardır. Arzu

edilen giriş değerleri sistemi bilgisayardan verilmekte ve bilgisayarda sistem için en uygun

elektrik üretimini sağlayan besleme suyu, yakıt ve hava miktarlarını ve türbin hızını denetler.

Sistem içinde sıcaklık, hava miktarı, basınç ve hız denetim döngüsü olmak üzere birden fazla

geribeslemeli döngü mevcuttur.


Şekil 1.8 Bilgisayarlı çok girişli-çok çıkışlı denetim sistemi

Ayrıca sistem değişkenleri birbirleri ile karşılıklı etkileşim halindedir. Örneğin yakıt

miktarının değişimi hem sıcaklığın ve hem de türbin hızının değişimine neden olacaktır.

Bütün bu karşılıklı etkileşimler en iyi şekilde bilgisayar yardımıyla denetlenebilir.

otomatİk kontrol'a gİrİŞ -...

Documents