1 1 TEMEL KAVRAMLAR VE SINIFLANDIRMA 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. Kontrol işlemlerinin, kontrol edilmek istenen olay etrafında kurulmuş bir karar mekanizması tarafından, doğrudan insan girişimi olmadan gerçekleştirilmesine otomatik kontrol denir. 1.3 AÇIK DÖNGÜLÜ KONTROL Bir açık döngülü kontrolde kontrollü değişken ve kontrol cihazı arasında doğrudan bir bağlantı yoktur. Bir açık döngülü kontrol bir dış değişkenin sistemi nasıl etkileyeceğini öngörür (tahmin eder) ve ayar noktasını aşırı sapmadan korumak için ayarlar. 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. Çünkü kontrollü değişkenden (ortam sıcaklığı) bir geri bildirim yoktur, bu durumda kontrol açık döngülüdür. 2 Şekil-1.1 Açık döngülü kontrol 1.4 KAPALI DÖNGÜLÜ (GERİ BİLDİRİMLİ) KONTROL Bir kapalı kontrol döngüsü veya geri bildirimli kontrol, kontrollü değişkendeki gerçek değişimleri ölçer ve bir değişim için kontrol cihazı harekete geçer. Düzeltici eylem, kontrol cihazının tasarım sınırlılıkları içinde değişken istenen değere ulaşıncaya kadar devam eder. Kontrollü değişkenin bir kontrol cihazı tarafından hissedilmesi için yapılan bu düzenleme geri bildirim olarak bilinir. Duyarga, kontrollü değişkeni izler ve kontrol cihazı için sinyal dönüştürür. Kontrol cihazı kontrollü değişkenin değerini ayar noktası ile karşılaştırır ve kontrollü cihaza düzeltici eylem için sinyal üretir. Bir kontrol cihazı bir donanım veya yazılım olabilir. Termostatlar, higrostatlar ve basınç kontrolleri donanım kontrollerine örneklerdir. Sayısal algoritmalar, yazılım kontrollerine örneklerdir. Şekil-1.2 Kapalı döngülü kontrol Duyarga, kontrollü değişkeni izler ve kontrol cihazı için sinyal dönüştürür. Kontrol cihazı kontrollü değişkenin değerini ayar noktası ile karşılaştırır ve kontrollü cihaza düzeltici eylem için sinyal üretir. Bir kontrol cihazı bir donanım veya yazılım olabilir. Termostatlar, higrostatlar 3 ve basınç kontrolleri donanım kontrollerine örneklerdir. Sayısal algoritmalar yazılım kontrollerine örneklerdir. Ayar noktası kontrollü değişkenin istenen değeridir. Kontrol cihazı bu ayar noktasını sağlamaya çalışır. Kontrollü cihaz, kontrol cihazından akış kontrol vasıtasının değişmesi alınan sinyale tepki verir. Kontrollü değişken bir vana, damper, ısıtma elemanı veya bir pompayı veya fanı tahrik eden bir motor olabilir. Kontrol vasıtası, kontrollü cihaz tarafından yönlendirilen ortamdır. O damperden akan; gaz, buhar veya bir vanadan geçen su veya bir elektrik akımı olabilir. İşlem yeri, kontrol edilen bir iklimlendirme cihazıdır. Kontrol vasıtasının çıkışına tepki verir ve kontrollü değişkenin değişmesinden etkilenir. İşlem yeri bir serpantin, fan veya nemlendirici olabilir. Kontrollü değişken kontrol edilmek istenen bir sıcaklık, nem, veya basınç, vb. olabilir. Şekil-1.3 Hava akış sıcaklık kontrolü (geri bildirimli kontrol örneği) Bir kontrol döngüsü bir blok diyagramı ile temsil edilebilir. Kontrol döngüsünün her bir elemanı kendi bloğunda temsil edilir ve modellenir (Şekil-1.4). Bir elemandan diğerine akış bilgisi bloklar arasındaki çizgilerle gösterilir. Ayar noktasında görünen şekil kontrollü değişkenin karşılaştırılmasıdır. Bu fark veya sapma hatası, kontrol cihazını besler ki o da kontrollü cihaza bir kontrol sinyali olarak gönderilir. Bu durumda kontrollü cihaz bir vanadır. Vana Şekil-1’deki serpantinden geçen buhar miktarını değiştirir. Buhar akış miktarı işlem olarak temsil edilen bir sonraki bloğun girişidir. İşlem bloğundan alınan kontrollü değişken sıcaklıktır. Kontrollü değişken bir hissedici elaman tarafından hissedilir ve kontrol cihazına geri bildirim olarak aktarılır, döngü tamamlanmış olur. 4 Şekil-1.4 Hava sıcaklık akış kontrolünün blok diyagramı Şekil-1.4’teki her bir eleman, elemanlar arasındaki giriş ve çıkış ilişkilerini temsil eden bir matematiksel model olarak idealleştirmek üzere, bir transfer fonksiyonu olarak gösterilebilir. Transfer fonksiyonu cihazın statik ve dinamik özelliklerinin her ikisini de kapsayacak şekilde yeterli detaya sahip olmalıdır. Elemanın zamanlı dinamik özellikleri bir diferansiyel denklem tarafından temsil edilir. Çevresel kontrolde, bir çok elemanın transfer fonksiyonu uygun dönüşümlerle tek bir diferansiyel denklem olarak tanımlanabilir, etkili olan dinamik davranış tek bir kapasite faktörüne indirgenir. Çözüm için diferansiyel eşitlikler LaPlace veya zdönüşümlerine döndürülür. Zaman sabiti, girişi etkileyen bir adım değişmesi olduğunda onun çıkışının son değerinin %63.2’sine ulaşması için geçen süre olarak tanımlanır. Elemanın zaman sabiti küçük olduğunda girişteki değişmelere çabuk cevap verecektir; tersine elemanın zaman sabiti büyük olduğunda girişteki değişmelere ağır cevap verecektir. Ölü zaman bir faz değişimi olup problemlerin kontrolüne ve modellenmesine yarar. Ölü zaman, işlem girişindeki bir değişme ile işlem çıkışını etkileyen bir değişme arasındaki zamandır. Ölü zaman Şekil-1’deki kontrol döngüsünde serpantinden ortama geçiş zamanın ortaya çıkabilir. Serpantindeki sıcaklık değişimi dağıtım sistemindeki havaya gecikmeli olarak verilir ve sonunda ortamdaki duyarga etkilenir. Ortamdaki havanın kütlesi serpantin sıcaklık değişiminin oda duyargası tarafından tam etkili denetlenmesini daha fazla geciktirir. Ölü zaman ayrıca duyarganın yavaş hissetmesinden, kontrol cihazından gelen sinyal gecikmesinden de oluşabilir. Şayet ölü zaman küçükse kontrol modelinde ihmal edilebilir; büyükse dikkate alınmalıdır. Transfer fonksiyonunun kazancı, sabit şartlarda verilen girişteki bir değişme için çıkış elemanındaki değişme miktarıdır. Şayet eleman doğrusal ise kazanç sabit kalır. Buna rağmen bir çok kontrol elemanları doğrusal değildir ve çalışma şartlarına bağlı olarak kazanç değişmektedir. Şekil-1.5, bir giriş sinyalindeki bir adım değişmesine ilk tepki artı ölü zaman ilavesini göstermektedir. Ölü zaman esnasında işlemin tepki vermediğine, takip eden tepkinin ilk baştaki eklentiye benzediğine dikkat edin. Bir kontrolün arkasındaki prensip duyarganın ölçülen değerdeki bir basınç, voltaj, veya akımı bir sinyal (pnömatik, elektrik veya elektronik) olarak göndermesi, ölçülen değişkenin değerini oransal hale getirmesidir. Kontrol cihazı duyargadan alınan ile istenen değeri karşılaştırır ve bu karşılaştırmaya dayalı bir kontrol sinyali gönderir. Donanım kontrolleri, verileri sürekli alan ve işleyen bir analog cihazdır. Yazılım kontrolleri, bir sayısal cihaz olup örnek-oran temeline dayalı geçici veriler üzerinde bilgi alır ve işler. 5 Şekil-1.5 Bir giriş adımı için işlem bağlantıları 1.5 OTOMATİK KONTROL KAVRAMLARI 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. Ayar Noktası: Ayar noktası sıcaklık gibi bir değişkenin istenen şartlarda sabit kalmasıdır.Bir odadaki bağıl nemin % 50 de olması veya bir klima kanalındaki basıncın 500 Pa olması ayar noktasına örneklerdir. Aşağıdaki örnekte 24 0C oda sıcaklığı ayar noktasıdır. Şekil-1.6 Ayar noktasının değiştirilmesi Kontrol Noktası: Kontrol noktası hissedilen gerçek sıcaklıktır. Kontrol noktası (sıcaklık) ayar noktası üzerinde olmayabilir, fakat onun yerine altta veya üstte olabilir. Sistemler daima ayar noktası etrafında, artı veya eksi kabul edilebilir sınırlar içinde çalışır. Buna iki konumlu sistemlerde diferansiyel (fark) veya oransal kontrollerde kısma kademesi adı verilir. Basitçe ele alacak olursak ayar noktası istediğimiz değer iken kontrol noktası ise sizin sahip olduğunuz değerdir. Aşağıdaki örnekte ayar noktası 23 0C ve kontrol noktası 22 0C dir. 6 Şekil-1.7 Ayar, kontrol noktası ve sapma Sapma (Offset): Sapma ayar noktasından sapma miktarıdır veya ayar noktası ile kontrol noktası arasındaki farktır.Yukarıdaki örnekte sapma yaklaşık olarak 1 0C dir. Kontrol Eylemi: Tüm kontroller bir eyleme sahip olup direkt etkili veya ters etkili olabilir. 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 (aç-kapa) kontrol 2. Yüzer kontrol 3. Oransal kontrol 4. Oransal ve integral (PI) kontrol 5. Oransal ve türevsel (PD) kontrol 6. Oransal, integral ve türevsel (PID) kontrol 1.6.1 İKİ KONUMLU (AÇ-KAPAT) KONTROL İki konumlu (aç-kapa) kontrol, en basit kontrol işlemi olduğundan çok yaygındır. Kontrol eylemi aslında çevrimlidir ve bir çok durumlarda bir kontrolün fark (diferansiyel) aralığı kullanılır. Çıkışı %0 veya %100 olan bir tip kontrol sistemidir. Bazen "iki konumlu kontrol" veya "açkapa" kontrol olarak anılır. Fanlar pompalar, soğutma grupları, kazanlar, elektrikli ısıtıcılar ve direkt genleşmeli soğutma gibi mekanik tesisat elemanları iki konumlu kontrol sistemiyle kontrol edilebilir. Aşağıdaki diyagramda bir oda duyargası sıcaklığı izler. Kontrol bu duyarga bilgisine uygun bir program, düzeltme eğilimi, bir ayar noktası ve bir diferansiyelle röleyi çalıştırmak üzere kullanır. Bazı kontrol çıkışları, büyük akımlı cihazları doğrudan kontrol etmek için kullanılamazlar. Bu durumda aşağıdaki gibi pilot hizmet rölesi kullanılır. 7 Şekil-1.8 İki konumlu (aç-kapa) kontrol Yukarıdaki örnekte oda sıcaklığı yükseldiğinde kontrol cihazı pilot hizmet rölesine kapanması için sinyal gönderir. Normalde açık kontak ortak uç haline gelir. Bu devreyi tamamlar ve direkt genleşmeli soğutma başlar. Sıcaklık düştüğünde kontrol cihazı röle çıkışını açık konuma getirir.(normal konum). Böylelikle DX soğutma işlemi durur. Fark(diferansiyel): Zaman ve sıcaklık ilişkili iki konumlu bir kontrolün diyagramı aşağıda görülmektedir. Şekil-1.9 Bir soğutma işleminde diferansiyelin (fark) gösterilmesi 8 Sıcaklık 24˚C ye ulaştığında kontrol cihazı DX soğutmayı çalıştırır, ortam soğumaya başlar. Sıcaklık 22˚C ye düştüğünde kontrol cihazı DX soğutmayı durdurur, ortam sıcaklığı artmaya başlar. Bu 2˚C’lik salınım birçok kişi tarafından hissedilmez. Kontrol cihazının AÇKAPAT(ON-OFF) yaptığı sıcaklıklar arasındaki fark Diferansiyel olarak adlandırılır. Diferansiyel, çıkışın iki konumlu olması, oransal olmaması dışında kısma kademesine benzer. Diferansiyel "kısa devreli" çalışmayı önlemek için yeterince geniş olmalı, çünkü bu durum mekanik cihazların erken bozulmasına neden olur. Diferansiyel ölçülen değişkendeki (sıcaklık gibi) bir değişme olup kontrol cihazının açık konumdan (AÇ) kapalı konuma (KAPAT) geçmesini gerektirir. DX soğutmanın çevriminin AÇKAPA arasındaki çevrimini dışında tutacak olursak kısma kademesindeki örneği buraya uygulayabiliriz. Sıcaklıklar arasında 2˚C’lik diferansiyel mevcut olup DX soğutma çalışma(AÇ) konumundan durma(KAPA) konumuna gelir. Gerçekte iki diferansiyel vardır. Mekanik diferansiyel ekipmanın çalışma-durma sıcaklıkları arasında farktır. Diğer tipi termal diferansiyel olup gerçek oda sıcaklığındaki dalgalanmadır. Termal diferansiyel mekanik olandan daha geniştir çünkü soğutma veya odadaki sıcaklık yükselmesi daima gecikir ve ekipman çalışma-durma noktasının dışına taşar. İki konumlu kontrol, geniş zamanda gerçekleşen yavaş bir işlem kademesi için 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. İki Konumlu Eyleme Erken Uyarıcı Uygulanması Bu, iki konumlu eylemde oda termostatlarında çalışa diferansiyelini azaltmak için sıkça uygulanan bir yaklaşımdır. Isıtma termostatlarında termostat üzerindeki bir ısıtıcı eleman çalışma (ON) periyodunda iken devrede kalır, böylelikle çalışma zamanı kısalır, çünkü ısıtıcı termostatı ısıtmaktadır. Bu ısıl erken uyarım olarak bilinir. Aynı uyarım eylemi soğutma termostatlarında kapalı (OFF) periyodunda iken alınabilir. Her iki durumda yük oranındaki çalışma yüzdesi değişmekte ancak toplam çevrim zamanı sabit kalmaktadır. Zamanlı İki Konumlu Eylem Bu eylem ayar noktasından bir sapma için oransal bir zaman aralığında ısıtma veya soğutma elemanı devreye girmesiyle oluşur. Örnek olarak ayar noktasından 5 0C fark olduğunda bir eleman iki dakika çalıştırılır ve bir dakika durdurulur. Benzer şekilde bu artışlı eylem, zaman aralığı dışında ve genelde daha kısa artışlı eylem olarak yüzer kontrollerde uygulanır. 9 Örnekler: 1. 0-4000C'lik bir termostatın sabit bantı %0.5 üzerinden 2 0C´dir. Cihaz 200 0C´ye ayarlandığı takdirde, 2010C´de enerjiyi keser, 199 0C´de enerjiyi verir. Toplam ölü bant 2 0C´dir. 2. Sayısal göstergeli bir kontrol cihazı 0-1200 0C kademeli ise, sabit bantı %0.5 üzerinden toplam 6 0C´dir. Cihaz 900 0C´ye set edildiği takdirde 903 0C´de cihazın rölesi konum değiştirir, 897 0C´de yine korum değiştirir. Cihaz toplam 6 0C´lik bir bantta çalışır. Şekil-1.10 İki konumlu kontrol eylemi Şekil-1.11 İki konumlu kontrol döngüsü 1.6.2 YÜZER KONTROL Bu kontrol türünde kontrol edilen elemana, kontrol cihazının komutuna uygun bir düzeltici hareket verilebilir. Yüzer kontrolde kontrol cihazı, sabit bir kademede kontrollü cihaz sadece açık veya kapalı konuma hareketlendirebilir. Genellikle, kontrollü değişken kontrol cihazının ön gördüğü diferansiyel aralığında kaldığında kontrollü cihaz nötr konumda kalır. Kontrollü değişken diferansiyelin dışına çıktığında, kontrol cihazı kontrollü cihazı uygun yöne sevk eder. 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 sürücü motoru arasındaki ilişkiyi inceleyelim(Şekil-1.12): 10 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. Şekil-1.12 Su seviyesinin yüzer kontrolü Şekil-1.15 Bir kanaldaki basıncın yüzer kontrolle ayarlanması 11 Bu uygulamaya diğer bir örnek aşağıda verilmiş olup bir değişken hava debili (DHD) klima santrali besleme kanalında statik basıncı sabit tutmak üzere bir elektrikli operatör kullanılır. Bu örnekte DDC kontrol cihazı, beslenme fanı üzerindeki normalde kapalı giriş damper konumlandıran bir operatörü kontrol eder. Başlangıçta giriş vanaları kapalıdır ve kanal statik basıncı 500 Pa basınçta sabit tutmak istediğinden açık devreyi tamamlar. Bu elektrikli operatörü saat ibresi yönünde tahrik eder,damperlerin açılmasına neden olur böylece kanala daha fazla hava girmiş olur. Bu damperlerin tamamen açılmasını gerektirmez. Bunun yerine statik basınç diferansiyel içinde ayar noktasına yaklaşıncaya kadar damper açılır. Bu basınca bir defa ulaşıldığında kontrol cihazı devreyi açar. Şayet statik basınç çok artarsa kontrol cihazı devreyi kapatır. Bu operatörün saat ibresine zıt yönde dönmesini sağlar ve damper hava geçişini azaltmaya başlar, böylelikle statik basınç düşer. Statik basınç diferansiyel içinde olduğundan kontrol cihazı kapalı devreyi keser. Ayar noktasında devre açık veya kapalı durumda olabilir ve operatör en son konumda "yüzer". Statik basınç kontrollü diyagram aşağıda gösterilmiştir. Şekil-1.16 Yüzer kontrollü basınç kontrolünün diyagramı Grafiğin sol tarafında kontrol basıncı 500Pa olduğundan kontrol cihazı cevap vermemektedir. Çeşitli DHD kutularında soğutma talebinin düşmesiyle kapanma başlar, beslenme kanalı içindeki statik basınç yükselir. Sadece statik basınç 525 Pa değerine ulaşır, kontrol cihazı cevap verir. Bu noktada kontrol cihazı devreyi tamamlar ve operatör giriş damperini hafifçe kapatır. Şayet kontakların kapalı kalma süresi 6 saniye ve operatörün bir konumdan diğer konuma gezintisi 120 saniye sürerse bunun anlamı operatör damperi %5 kapatmıştır. Soğutma talebi arttığından bazı DHD kutuları açılır ve statik basınç düşmeye başlar. Basınç 475Pa’la ulaştığında damper %10 açılsın diye kontaklar 12 saniye açılır. Geniş Artımlı Modülasyon: Yüzer kontrolün DDC kontrolle kullanılan bir varyasyonu geniş titreşimli (artışlı) modülasyon olarak adlandırılır. Bu tip kontrol saniyede belli sayıda açık ve kapalı konumlar arasında titreşim yapar. Sonra bir değişkenin (sıcaklık gibi) cevabını bekler. Kontrollü değişken ayar noktasına yaklaştığında titreşimler kısalır. Bu eylem yüzer motor operatörlerinde hassas kontrole imkan verir. 12 Bu tip düzenleme bazı sıcaklık kontrollerinde başarılı olmuştur. Günümüzde kullanılan elektronik genleşme valflerinin bir kısmı evaporatördeki kızgınlığı bu prensiple (dalga modülasyonlu) ayarlamaktadır (Şekil-1.17). Şekil-1.17 Dalga modülasyonlu termo-elektronik genleşme vanası 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 bant" denir. Genel olarak oransal bant, cihazın tam skala (span) değerinin bir yüzdesi olarak tanımlanır ve set değeri etrafında eşit olarak yayılır. Bir oransal kontrol matematiksel olarak şu şekilde tanımlanabilir: Vp : oransal kontrol çıkışı Kp : oransal kazanç (1/ kısma kademesi) e: hata sinyali veya sapma V0: sapma ayar parametresi Kontrol çıkışı, kontrol edilen değişkenin hissedilen değeri ve onun ayar noktası arasındaki farkı için oransaldır. Kontrollü cihaz normalde bir sapma ayarlaması kullanılarak ayar kontrol kademesinin orta noktasına ayarlanır. Oransal kontrol formunda gerçek değer ile set noktası arasında ölü bantı (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 600C´lik skalası olan bir cihazda %5´lik bir oransal bant demek 0.05 x 600C = 3 0C´lik bir sıcaklık aralığı demektir. Bu 3 0C´lik aralığın 1,5 0C´si set değerinin üzerinde 1,5 0C´si set değerinin altında yer alır ve kontrol cihazı 3 0C´lik aralıkta oransal kontrol yapar. 13 Şekil-1.18 Oransal bant (Xp) Şekil-1.19 Oransal kontrol blok şeması 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 bant denir. Genel olarak oransal bant, cihazın tam skala (span) değerinin bir yüzdesi olarak tanımlanır ve set değeri etrafında eşit olarak yayılır. Örneğin 80 0 C´lik skalası olan bir cihazda %5´lik bir oransal bant demek 0.05 x 80 0C = 4 0C´lik bir sıcaklık aralığı demektir. Bu 4 0C´lik aralığın 2 0C´si set değerinin üzerinde 2 0C´si set değerinin altında yer alır ve kontrol cihazı 4 0C´lik aralıkta oransal kontrol yapar. 14 Kısma Kademesi Sistem kısma kademesi (KK) ölçülen değişkende (örnek olarak sıcaklık) kontrollü cihazın bir konumdan (strok) diğerine gezinmesi sonucu oluşan değişmedir. Aşağıdaki örnekte kısma kademesi 4 0C olup operatör tam açık konumdan tam kapalı konuma gezinti yapmaktadır. Kısma kademesi oransal kazancın tersiyle oransaldır. Şekil-1.20 Kısma kademesi Kısma kademesi bazen "hassasiyet" olarak tanımlanır. Tipik kısma kademeleri hava karışım kontrolü ve sıcak su kontrolü gibi mekanik kontrollerde 4 ˚C -5˚C’dir. Bu zıt olarak oda kontrolleri daha sıkı olmak zorundadır, kısma kademeleri 1˚/2˚C’dir. Şayet kısma kademesi çok dar olmaya başlarsa, operatörün "avlanma" adı verilen moda girmesine neden olur. Bu modda operatör sürekli konum arar: tam açık, sonra tam kapalı, sonra tam açık vb. bir kontrol sistemi avlanıyorsa kontrol dışıdır. Avlanma olayını elemek, kontrol cihazı daha hassas olsun diye kısma kademesini attırmakla mümkün olabilir. Yalnızca oransal kontrol ile bir işlemin ayar noktasına oturtulması mümkün değildir. Bundan dolayı elle ayarlamaya (manuel reset) veya otomatik ayarlamaya (integral kontrol) ihtiyaç vardır. Pnömatik, elektronik analog kontroller ve elektronik sayısal kontroller gibi çok sayıda kontrol sistemleri yapı gereği oransaldır. Şekil-1.21 Elle ayarlamalı oransal kontrol döngüsü 15 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 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. Şekil-1.22 Zamana bağlı oransal kontrol 1.6.4 ORANSAL VE İNTEGRAL (PI) KONTROL Operatör, yükteki herhangi bir değişikliğe karşı elle ayarlamaya göre ön ayarı (bias) her hata durumunda ayarlayacak otomatik ayarlamaya gereksinim duyar. Bu otomatik ayar terimi aynı zamanda "integral" olarak da tanımlanır. Yeniden (reset) ayar eylemi şu formülle açıklanabilir: Vp: Kontrol çıkışı Ki: İntegral kazanç : zaman e: hata V0: sapma ayar parametresi Denklemdeki ikinci terim, e hatası mevcut olduğunda daha uzun zaman alacağını ima eder, bu hatayı ortadan kaldırmak için kontrol cihazı çıkışı daha fazla değişecektir. Kararlılık için oransal ve integral kazanç sabitlerinin seçimi çok önemlidir. Uygun seçim sapmayı ortadan kaldırır, kontrol daha fazla hassaslaşır. DHD fan kontrolü, soğutma grubu kontrolü, ve klima santrallerindeki sıcak soğuk kanal kontrollerinde PI kontrol kullanılarak dahi enerji verimi iyileştirilebilir. 16 Analog kontrollerde integral biçiminin çok yaygın bir aleti çıkışa pozitif geri bildirim kullanımıdır. Şekil-1.23 Oransal ve integral kontrol blok şeması Oransal kontrolde oluşan ölü bantı 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. Şekil-1.24 Oransal ve integral kontrol 17 1.6.5 ORANSAL VE 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. Şekil-1.25 Oransal ve türevsel devre şeması Şekil-1.26 Oransal ve türevsel kontrollü zaman-sıcaklık değişimi 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. 18 Şekil-1.27 Oransal, türevsel ve integral kontrol sıcaklık-zaman değişimi Bu tip kontrol, PI kontrole türevsel teriminin eklenmesiyle oluşur. PID kontrol hatanın türevsel değeriyle değişir. PID kontrol eşitliği: Burada Ka kontrolün türevsel kazancı, de/d hatanın zamana bağlı türevidir. Türevsel teriminin eklenmesi kontrole bir miktar erken uyarım eylemi kazandırır, daha hızlı cevap oluşturur ve daha büyük kararlılık sağlar. Bununla birlikte türevsel terimi kontrolü gürültü sinyallerine karşı daha hassas hale getirir ve akort özelliği PI kontrolden daha zordur. Birçok HVAC kontrol döngüleri yalnızca PI kontrolle yeterli olabilmektedir. Uyarlamalı kontrol veya kendi kendine akort özelliği, sayısal kontrolün bir biçimi olup burada kazanç faktörleri (Kp, Ki ve Ka) kontrol döngüsündeki sapmayı gidermek için sürekli veya periyodik olarak otomatik şekilde düzenlenir. Bulanık mantık kontrol (fuzzy logic) değişkenlerin kavramsal etkilerinin bir proseste nasıl işlev yaptığını tasarımcı tarafından tanımlanabilmesine imkan tanıyan teorik setin bir biçimidir. Kontrol, bir işlem sınıfındaki üyeleri hesaplar ve sonra tasarımcı tarafından belirlenen kontrol kuralları setine dayalı nasıl bir kontrol eylemi yapacağına karar verir. 1.7 KONTROL CİHAZLARININ AYARLANMASI (AKORT) Kontrol cihazlarını sistemli olarak ayarlanması tüm kontrollerin verimini arttırır ve özellikle sayısal kontroller için önemlidir. İlk olarak kontrol edilen işlem çeşitli ayar değerleri arasında, şu sorulara cevap vermek amacıyla, elle kontrol edilmelidir: İşlem gürültülü mü? (kontrollü değişkende hızlı dalgalanmalar var mı?) Operatör kesintileri (geri ani hareket) uygun seviyede mi? Ayar noktasını sürdürmek ve değiştirmek kolay mı? (veya zor mu?) İşlemin operasyon bölgesi çok hassas mı? (yüksek kazanç faktörü) Şayet işlem elle kontrol edilemiyorsa kontrol cihazını ayarlamadan önce bu durum teşhis edilmeli ve düzeltilmelidir. 19 Ayar işlemi, kontrol sisteminin kararlı durum ve geçici karakteristiklerini belirlemek için, kontrol parametrelerini seçer. İklimlendirme işlemleri doğrusal değildir ve karakteristiklerinin değişimi mevsimlere bağlıdır. Kontroller, bir çalışma durumu kararsız durum değişimine başladığı şartlarda, ayarlanır. İyi ayarlanmış bir kontrol cihazı: 1. Kararlı durumda ayar noktasından olan sapma (hata) en düşük seviyededir. 2. Karışıklık durumunda hızlıca tepki verir. 3. Tüm çalışma şartları altında kararlılığını sürdürür. Oransal kontrollerin ayarı, minimum kararlı durum hatası ile kararlı kademesinin sürdürülebilir olması arasında bir uzlaşmadır. Oransal ve integral (PI) kontrol bu uzlaşmayı en düşük seviyede tutar çünkü, oransal terimi kontrolün karışıklığa olan tepkisini belirlerken, integral eylemi kararlı sabit hata seviyesini düşürür. Oransal ve İntegral (PI) Kontrollerin Ayarı PI parametrelerinin ayarlanmasında en yaygın yöntem açık ve kapalı döngülü işlem teşhis yöntemleri ve deneme-yanılma yöntemidir. Kapalı döngü yönteminde kontrol cihazı sadece oransal konumda iken bir ayar değişiminden sonra cihaz sürekli çevrime başlayıncaya kadar kazanç faktörü arttırılır (Şekil-1.28’de Kp=40). Oransal ve integral terimleri daha sonra çevrim dalgalanma periyodundan ve oransal değerinin neden olduğu çevrimden hesaplanır. Açık çevrim yönteminde bir adım değişmesi girilerek kontrol döngüsü açılır. İşlem transfer fonksiyonu parametrelerini hesaplamak için bir grafik teknik kullanılır. Oransal ve integral terimleri, bir dizi denklemler kullanılarak bulunan işlem parametrelerinden yararlanılarak hesaplanır. Şekil-1.28 İntegral eylemi olmadan çeşitli oransal kontrollerde ayar noktasındaki adım değişimine basma hava sıcaklık tepkisi Deneme yanılma yöntemi, yalnızca oransal kontrol modunda iken gözlenen bir ayar noktasına olan istenen tepkiyi bulmak için kazanç faktörünün yeniden ayarlanmasını kapsar. Geleneksel ayarlama kurallarına göre başlangıçta ayar noktasını hafifçe geçmeli ve arkasından hızlıca kararlı durumlara düşme gerçekleşmelidir. Ayar noktası değişmeleri kontrol cihazının doygun olduğu durumlarda yapılmalı veya sınırları aşmaktan kaçınılmalıdır. Ardından, ayar noktası oransal kontrol ile benzer tepkileri verinceye kadar integral terimi arttırılır, fakat bu tepki ayar noktası etrafında oluşmalıdır (Şekil-1.29). 20 Şekil-1.29 Sabit oransal kazançta değişik integral kazançları için ayar noktasındaki hava sıcaklığının adım değişimine tepkisi Sayısal Kontrollerin Ayarı Sayısal kontrollerin ayarlamasında ilave bazı parametrelerin belirlenmesi gerekebilir. Sayısal kontrollerin örnekleme aralığı kritik bir seçimdir. Örnekleme seviyesi uygun seçilmezse harmonik sapma ortaya çıkar. Bu genelde fabrikada ayarlanır ve değiştirilemeyebilir. Bir kontrol örnekleme aralığı, kontrollü işlem genellikle uygun kontrol yaptığındaki zaman sabitinin yarısı kadardır. Bir çok sayısal kontrol algoritmaları işlem ayar noktası civarında iken bir hata ölü bandını kaldırmak için kontrol eylemi gerektirmez. Sayısal kontroller ile kesinti (histerisiz) dengelemesi yapılabilir fakat çok dikkatli uygulanmalıdır çünkü aşırı dengeleme kontrol döngüsünde aşırı salınımlara neden olabilir. PID Parametrelerinin Ayarlanması Esas amacı ayar değeri ile ölçüm değeri arasındaki hatayı sıfıra indirmek ve bu sayede istenilen değere ulaşmak olan bu tür kontrol cihazları, PlD parametrelerinin uygun bir şekilde ayarlamaları sayesinde kontrol edilen değişkenin ayar değerine; a) Minimum zamanda b) Minimum üst ve alt tepe değerlerinden geçerek ulaşmasını sağlarlar. P diğer adıyla oransal bant parametresi kontrol cihazının içinde yer alan denetim mekanizmasının kazanç miktarı ile ters orantısı olan değeridir. %OB 1 x100 eşitliği ile Kp izah edildiği üzere oransal bantı %20´ye ayarlanmış olan bir kontrol cihazının K (kazancı) 5´tir. Oransal bantın çok aza ayarlandığı cihazlarda kazanç çok büyük olacağından, bu cihazın kontrol ettiği prosesler dengesiz olacak hatta, miktarı artı ve eksi yönde gittikçe artan miktarda salınıma girecektir. İntegral ve Türevsel parametrelerin söz konusu olmadığı ve sadece P tip kontrol cihazları ile yapılan denetimlerde de dengeye ulaşmak mümkündür. Ancak sadece P´nin aktif olduğu bu tür kontrol sistemlerinde az da olsa set değeri ile kontrol edilen değer (ölçüm değeri) arasında sıfırdan farklı + veya - değerde ve sıfıra indirilemeyen bir değer söz konusu olup, bu değere otomatik kontrol terminolojisinde sapma (OFFSET) adı verilmektedir. 21 Şekil-1.30 Reaksiyon eğrisi Sadece P ile kontrol edilen böyle bir sisteme integral etkinin (I) ilavesi sapmayı ortadan kaldırmaya yöneliktir. Diğer bir değişle P+l türündeki bir kontrol cihazı ile denetlenen bir proseste normal şartlar altında oturma sonuçlandıktan sonra sapma (OFFSET) oluşması söz konusu değildir. Bununla beraber integral zamanın (l) çok kısa olması, prosessin salınıma girmesine neden olabilecektir. P+l denetim mekanizmasına D (türevsel) etkinin ilavesi ise set değerine ulaşmak için geçen zamanı kısaltmaya yaramaktadır. Optimum Performans İçin PID Parametrelerinin Ayarlanması Bu konuda detaya girmeden önce önemli bir noktaya temas etmek yerinde olacaktır. Biraz sonra aşağıda verilen ayar yöntemleri her türlü proses için aynı olmakla birlikte gereken oturma zamanı, gerek reaksiyon zamanı ve gerekse de üst ve alt salınımların optimum değerleri doğal olarak prosesten prosese değişiklik göstereceğinden her proses için ortaya çıkacak olan PlD değerleri de doğal olarak birbirinden farklı olacaktır. Diğer bir deyişle herhangi bir sıcaklık prosesi için ayarlanmış bulunan PlD parametreleri bir basınç prosesi için uygun olmayabilir. Ancak daha önce ayarlanarak optimum değerleri tespit edilmiş bulunan PID parametreleri birbirine benzeyen proseslerde ufak-tefek değişikliklerle kullanılabilir. PID parametreleri ilk kez devreye alma esnasında optimum kontrol için ayarlanmaları gerekli olan değerler olup, cihazın bu değerlere ayarlanmasını takiben bir daha gerekmedikçe (işletme mühendisleri daha farklı bir uygulama için fikir değiştirmedikçe) değiştirilmeleri söz konusu değildir. Bu şekilde hesaplanıp ayarlanmış bulunan parametreler ilk devreye alma işlemini takiben ölçüm değeri set değerini yakalamışken etkilerini; i) ya set değerinin ihtiyaca göre eksi veya artı yönde değiştirilmesi ii) ya da kontrol edilen parametrede prosesten kaynaklanan ani etkilerin varolması sırasında gösterilecektir. 22 Aşağıda açıklanan ayar yöntemi oldukça basit ve en pratik olanıdır. Yöntemin tatbiki sırasında ayarı yapan kişinin proses hakkındaki bilgi ve yorumları şüphesiz ayarlamanın daha kısa ve az deneme yanılmaya yol açarak sonuçlanmasında etken olacaktır. Ayarlama işlemine başlamadan önce sisteminizin olası üst ve alt sapmalarda herhangi bir problem çıkarıp çıkarmayacağından emin olmalısınız. Örneğin 0-100 Bar´lık basınç kontrol sisteminin kontrolüne yönelik bir sistemde bu ayarı yapıyorsanız denemeler sırasında basıncın ayar değeriniz olan (örnek olarak 50 Bar) miktardan 100 Bar´a veya 0 Bar´a kadar yükselip alçalması eğer sisteminize zarar verecekse bu durumda daha önce bilinen (varsa) PID değerleri ile başlamak yerinde olacaktır. ilk olarak P´yi %100´e, l´yı maksimuma (OFF) ve D´yi minimuma (OFF) getiriniz. Bu durumda cihaz integral ve türevsel etkiden yoksun olarak sadece oransal cihaz olarak çalışacaktır. Yukarıdaki örneğimizden yola çıkarak set değerini de arzu ettiğimiz bir değere 50 Bar´a ayarlayınız. Bu işlemleri takiben cihazı otomatik konumda devreye alınız. Cihaz çalışır çalışmaz kontrol cihazı sistemin basıncını o anda var olan değerden (başlangıçta sistemin basıncının 0=Sıfır olduğunu varsayalım) itibaren arttırmaya başlayacaktır. Sistemin devreye alındığı andan ayar değerine ulaşmasına kadar geçen zamanı not ediniz (Şekil-1.31). Şekil-1.31 TK ve TR´nin tanımı. Bu zaman, sistemin reaksiyon zamanıdır. Bu değer ileriki safhalarda beklenilmesi gereken zaman olarak dikkate alınmalıdır. Eğer Şekil-1.32´deki gibi gittikçe azalan bir salınım izleniyorsa bu durumda P´yi %20 kadar azaltarak yine salınımı izleyiniz. 23 Şekil-1.32 Azalan salınım reaksiyon eğrisi. İzleme işlemini varsa bir kayıt cihazı ile yoksa zamana karşılık izlediğiniz değerleri kağıda yazmak sureti ile yapabilirsiniz. Yukarıda belirtilen %20´lik azaltmalara, Şekil-1.33´deki sabit salınımlara erişinceye kadar devam ediniz. Sisteminizin Şekil-1.29´de görünen sabit genlikli salınıma girdiği değer prosesinizin kritik noktası olup ilk iki üst tepe değeri ile ikinci üst tepe değeri arasındaki zamanı Tk=(Salınım zamanı) olarak not ediniz. Zaman sn cinsinden hesaplanmaktadır. Bu tespitle birlikte ayarlamalar için gerekli doneler elde edilmiş olmaktadır. Sabit genlikli salınımı yakalamış olduğunuz P değerini Pk değeri olarak ayrıca not ediniz. Bundan sonra; P´yi I´yı D´yi Pk´ya (PID veya PD tip kontrol Pk´ya cihazlarında) Pk´ya (Pl tip kontrol cihazlarında) (Sadece P tip kontrol Tk/2´ye cihazlarında) Tk/1.2´ye (PID tip kontrol cihazlarında) Tk/8´e (Pl tip kontrol cihazlarında) Tk/12´ye (PID tip kontrol cihazlarında) (PD tip kontrol cihazlarında) ayarlarınız. 1.6 2.2 2.0 Bu değerlerin de cihaza set edilmelerini takiben kontrol cihazının optimum performansla çalışması mümkün olacaktır. Eğer isteniyorsa bu değerler ince ayar amacı ile bir miktar reaksiyonları incelenerek artırılıp azaltılabilir. Bu şekilde ayarlanmış bulunan sisteminiz Sekil1.33´deki salınım dizisi ile set değerine oturacaktır. Bu süreye Ts=Oturma zamanı denilmekte olup, sistemden sisteme yarım saatten 5-6 saate kadar uzun olabilmektedir. 24 Şekil-1.33 Set değerine oturma zamanı Oturma gerçekleştikten sonra gerek set değerinde yapılan bir değişiklik, gerekse de sistemde oluşan ani dengesizlikler sonucu ortaya çıkan bozucu etkenler nedeni ile denetim mekanizması tekrar devreye girecek, ölçü değerini ayar değerine oturtmak üzere harekete geçecektir. Herhangi bir nedenle sistemin durdurulması veya ilk parametrelerinin tespitinden sonra sistemin işletmeye alınması esnasında ölçü değerini set değerine minimum zamanda getirmek için kullanılan diğer bir imkân da kontrol cihazlarının kendi üzerlerinde bulunan veya ayrı olarak kullanılan oto/manuel istasyondur. Bu istasyon oto´da iken kumanda tamamen otomatik olarak kontrol cihazında, manuel´de iken ise operatörün denetimindedir. Manuel konuma alınmış bir kontrol cihazında ölçü değerini set değerine getirmek için, operatör bir taraftan cihaz göstergesinde ölçü değerini izlerken öte yandan da nihai kontrol elemanını (servo motorlu vana, pnömatik vana, damper sürücü vb.) yavaş yavaş açmak veya kapatmak sureti ile tamamen kendi kontrolünde sistemi set değerine oturtabilecektir. Doğal olarak otomatik konumda çok daha uzun sürebilecek bu işlem manuel müdahale ile minimum sürede yapılmış olacaktır. Sistem, istenilen değerde ve cihaz manuel kumanda´da iken artık yapılacak tek şey sistemi oto tuşuna basarak otomatik kumandaya almaktır. Artık sistemi kontrol eden kontrol cihazı olup, proseste oluşan değişikliklerde set edilmiş bulunan PID parametrelerinin etkisi altında gerekli reaksiyonu gösterip tekrar ölçü değerini set değerine oturtacaktır. Kendi Kendine Ayarlama (Akort) Özelliği Kontrolün zor olduğu proseslerde PID parametrelerini uygun bir şekilde ayarlamak, prosesi tam istenilen set noktasına oturtmak uzmanlık ve zaman ister. Bu sakıncalar mikroişlemci donanımlı cihazların kendi kendine akort (self tuning) özelliği sayesinde giderilir. Bu özelliğe sahip bir PID kontrol cihazı bu kontrol formuna ait parametreleri prosesin cevap hızına göre kendisi ayarlar ve set noktasına oturtur. 25 PID kontrol formunda az da olsa başlangıçtaki salınımları önlemek ve daha hızlı bir şekilde prosesi set noktasına oturtmak için kendi kendine ayar özelliği ile birlikte ön ayar özelliği de kullanılır. Şekil-1.34 Kendi kendine akort (self-tuning) özelliği 1.8 ENERJİ KAYNAĞINA GÖRE KONTROL SİSTEMLERİNİ SINIFLANDIRMA 1. Pnömatik sistemler 2. Hidrolik sistemler 3. Akışkanlı (flüidik) sistemler 4. Elektrikli sistemler 5. Elektronik sistemler 6. Kendine yeterli (bağımsız) kontrol sistemleri Pnömatik Sistemler Pnömatik kontrol sistemlerinde güç kaynağı olarak sıkıştırılmış hava kullanılır. Sistem elemanları: 1. Bir hava kompresörü ve onun filtreleri, regülatörleri 2. Pnömatik kontrol cihazları (termostat, vb.) 3. Pnömatik operatör (aktüator) veya hareketlendiriciler 4. Bütün elemanları bağlayan borular Sıkıştırılmış hava besleme hattında 15-25 psig’dir. Hava kontrol hattında ortalama 8 psig’dir. Alt sınır 3 psig, üst sınır 15 psig veya besleme hattı basıncına eşit olabilir. Kontrol cihazı basınç değiştirici gibi çalışır. Bu basınç değişimleri operatörün herhangi bir yöne doğru hareket etmesini sağlar. Operatörler, diyaframlı valfler, damper operatörleri vb. cihazlar olup iki konumludurlar. 26 Şekil-1.35 Pnömatik kontrol devre elemanları Şekil-1.36 Pnömatik operatörler (vana ve damper sürücüleri) Hidrolik Sistemler Hidrolik sistemlerde, sinyal iletiminde hava yerine hidrolik akışkan kullanılır. Ancak pnömatik sistemlere göre basınç kayıplarının yüksekliği ve pahalı olması bu sistemlerin dezavantajlarıdır. Akışkanlı (Fluidik) Sistemler Akışkanlı sistemler, kontrol mühendisliğinde yeni bir gelişmedir ve pnömatik sistemlere benzerler. Havanın statik basıncı yerine dinamik özelliklerini kullanırlar. Hava yerine herhangi bir gaz veya sıvı da kullanılabilir. Şekilde basit bir akışkanlı anahtarlama sistemi görülmektedir. 27 Şekil-1.37 Akışkanlı anahtarlama kontrolü Elektrikli Sistemler Elektrik elemanlar enerji kaynağı olarak düşük veya hat voltajındaki elektrik enerjisini kullanır. Kontrol cihazı elektrik enerjisini kontrol edilen cihaza düzenleyerek verir. Bu sınıflandırmadaki kontrollü cihazlar; elektro-mekanik elektromanyetik, ve hidrolik operatörlü röleler ve katı halli düzenleme cihazlarıdır. Elemanlar, sinyal şartlandırma, modülasyon ve yükseltme gibi onların çalışmasına bağlı olarak elektroniğe benzer şekilde sınıflandırılır. Elektrikli kontrol sistemleri, iklimlendirme ve soğutmada çok yaygın olarak kullanılırlar. Elektrikli kontrol sistemleri şu elemanlardan oluşur: 1. Güç kaynağı (24, 120, 230 veya 380 V) 2. Elektrik kontrol cihazları (termostat, higrostat, basınç anahtarı, vb.) 3. Elektrikli operatörler 4. Elektrik kabloları Elektrikli Hareketlendiriciler: • Elektromanyetik bobinler (solenoidler, anahtarlama röleleri, kontaktörler ve motor kalkış cihazları) • İki pozisyonlu (konumlu) motorlar • Modülasyon motorları Şekil-1.38 Elektrikli Röleler 28 Şekil-1.39 Solenoid vanalar Şekil-1.40 İki Konumlu motorlar Şekil-1.41 Modülasyonlu motor 29 Elektronik Sistemler Bir dijital kontrol elektronik sinyali duyargadan alır, elektronik sayısal sinyale dönüştürür ve mikro-işlemci içinde bu sayılarla matematiksel işlemler yapar. Sayısal kontrolden çıkış sayısal biçimlidir, sonra operatörü çalıştırmak için bir elektronik sinyale dönüştürülür. Sayısal kontroller kendi verilerini örneklemek zorundadır çünkü mikro-işlemci verilerin okunması için belli bir zamana ihtiyaç duyar. Şayet sayısal kontrol için örnekleme aralığı, ikinci ve üçüncü harmonik frekanstan (alternatif dalga) kaçınmak için, uygun seçildiğinde kontrol performansında önemli bir azalma oluşturmaz. Elektronik devrelerde düşük voltajlı elektrik enerjisi kullanılır (en fazla 10-15 Volt). Elektronik kontrollerin temel prensip, bir devre köprüsündeki dirençleri hafif farklarla denetlemektir. Şekil-1.42’deki wheatstone köprüsüne benzerler. A ve B’ye güç uygulanır. C ve D’den çıkış alınır. Devredeki dört dirençten üçü sabittir. Dördüncü değişkendir ve termistör gibi bir hissedici elemana bağlanmıştır. Hissedici elemandaki basınç, sıcaklık, nem gibi özelliklerin değişmesi R4 direncini değiştirir. Dolayısıyla C’den D’ye hafif bir sinyal değişmesi olur. Bu sinyal yükseltilerek transdüzere gönderilir. Burada sinyal normal elektronik veya pnömatik sinyale dönüştürülür ve operatöre kumanda eder. Şekil-1.42 Wheatsone köprüsü ve bir direnç termometresine uygulanması Şekil-1.43 Elektronik kontrol örnekleri 30 Kendine Yeterli (Bağımsız) Kontrol Sistemleri Kendine yeterli elemanlar ölçülen sistemdeki gücü gerekli düzeltici eylemde kullanır. Ölçüm sistemi enerjiyi, herhangi bir yardımcı enerjiye ihtiyaç olmaksızın, işlem altındaki kontrolden sağlar. Duyargadaki sıcaklık değişmeleri sınırlanan ortamda basınç ve hacim değişmelerine sebep olur ki bu da bir vana veya damperi çalıştırmada kullanılır. Kendine yeterli olarak termopil eleman pilot alevini tutuşturmak için gerekli elektrik enerjisini üretir. Bu kontrollere diğer örnekler olarak termostatik genleşme valfleri, kondenser su regülasyon vanaları verilebilir (Şekil-1.44 ve 1.45). Bu sınıflandırma yöntemi bireysel kontrol döngüsünden komple kontrol sistemlerine kadar genişletilebilir. Örnek olarak pnömatik oda termostatı ve pnömatik operatörlü tekrar ısıtma serpantini içeren özel bir oda kontrol döngüsü, pnömatik kontrol döngüsü olarak ifade edilir. Bir çok kontrol sistemleri farklı kontrolleri kullanır ve hibrit sistemler olarak adlandırılır. Şekil-1.44 Su regülasyon vanası Şekil-1.45 Termostatik genleşme valfi 1.9 OTOMATİK KONTROL EĞİTİMİNDE BİLGİ TEKNOLOJİLERİ Otomatik kontrol eğitiminde kullanılabilecek bir çok bilgisayar yazılımı mevcuttur. Bunlardan İKS alanında kullanılabilecek olanlarına bazı örnekler verilecektir. WBLoop32 (İKS için kontrol sistemleri ve uygulamaları) Bu yazılım Thomas HORAN tarafından 1999 yılında “Automatic Controls for HVAC&R” kitabına uygulama eki olarak hazırlanmış olup [29] no’lu kaynakta indirilebileceği web adresi verilmiştir. Bu yazılımda düzenleme (configuration) kısmında duyarga, kontrol cihazı, yeniden ayar programı ve kontrol sinyalinin özellikleri seçilebilmektedir. Bu seçimlerden sonra işlem tipi olarak ısıtma, soğutma, nemlendirme, kanal basınç kontrolü gibi bir çok İKS uygulaması seçilebilmektedir. Şekil-1.45ve 1.46’da bu yazılımın ara yüzleri görülmektedir. 31 Şekil-1.45 WBLoop32 yazılımının ara yüzü Şekil-1.46 WBLoop32 simulatör ara yüzü 32 PID Simulator Yazılımı Bu yazılım endüstriyel seviye kontrolü için hazırlanmıştır. Bu benzeşim yazılımı ile oransal kazanç 0-%100 arasında, integral ve türev parametreleri saniye olarak girilebilmekte, kararlı veya karasız su akışı oluşturulabilmektedir. Yine sıvı seviyesi manuel olarak ayarlanabilmektedir. PID kontrol parametrelerinin anlaşılması için çok yararlı bir yazılımdır. Bu yazılıma [30] no’lu kaynaklardan ulaşılabilir. Şekil-1.47 Tank su seviye kontrolü için PID benzeşim yazılımı Kontrol Sistemleri (simülatör) V1.0 Balıkesir Meslek Yüksekokulu İklimlendirme ve Soğutma programı tarafından hazırlanan otomatik kontrol benzeşim yazılımında bir seviye tankı üzerinde iki konumlu, yüzer kontrol, oransal (P), oransal ve integral (PI), oransal ve türevsel (PD), oransal integral ve türevsel (PID) kontrol seçenekleri mevcuttur. Ayrıca bu kontroller içinde zamana bağlı ve kararsız durum seçenekleri mevcuttur. Bu kontrol işlemleri bir grafik ekranda görüntülenebilmektedir. Bu yazılıma ait ara yüzler şekil-1.48 ve 1.49’da görülmektedir. 33 Şekil-1.48 İki konumlu kontrol Şekil-1.48 Zamana bağlı PID kontrol ara yüzü
© Copyright 2024 Paperzz
