Bu bölümde mobil hidrolik teleskobik vincin anabom uzvu ucunda halat ile asılı olan yükün, vincin hareketi esnasında oluşan salınım ve konum kontrolü için gerçekleştirilen kontrolcü tasarımı anlatılmaktadır. Çalışma sisteminde kontrol yöntemi olarak kapalı çevrim tekniği uygulanmıştır. Salınım açı değerleri geri beslemeli olarak sisteme dahil olmaktadır. Sistemden istediğimiz açı ile salınım açı değerini farkı hata sinyali olarak tanımlanmıştır. Bu hata sinyali olarak alınan açı değerleri bir kontrolcüden geçirilip çıkan sinyal, tahrik uzuvlarının kontrolcülerinden çıkan sinyaller toplanarak vinç modeline dahil edilerek kapalı bir çevrim oluşturulmuştur.
Teorik esaslar kısmında çalışmada kullanılan PID kontrolcünün genel özellikleri ve uygulama yöntemleri anlatılmıştır. Bu kontrolcülerden PID kontrolcü tasarımı bulanık mantık kontrolcülerin tasarımlarına göre daha kolay ve basittir. Klasik denetleyiciler ile kazanç, türev ve İntegral parametreleri kullanılarak sistemin kontrolü iyi bir şekilde sağlanabilir. Ayrıca maliyet ve uygulama yönünden de klasik denetleyiciler uygundur. Fakat kazanç, türev ve integral parametreleri iyi ayarlanmaz ise bu kontrolcünün verimliliği ve uygunluğu düşer. Bulanık mantık denetleyiciler, üyelik fonksiyonlarının ve kurallarının doğru tanımlanması sonucunda oldukça başarılıdırlar. Bulanık denetleyiciler; az, çok, biraz, büyük, küçük gibi dilsel niteleyicileri kullanarak insanın karar vermesini taklit ederek kontrol yaptıkları için, matematiksel olarak modellenmeyen sistemlerde bile kullanılabilirler. Fakat yüksek maliyetleri ve tasarımındaki güçlükler dezavantajlarıdır. PID kontrol tekniği bilindiği gibi oransal (P), integral (I) ve türevsel (D) etkinin bir arada kullanıldığı ve referans giriş ile gerçek çıkış arasındaki hataya etki eden üç parametreden meydana gelmektedir. PID kontrolcü kazanç parametrelerinden oransal etki Kp‟nin artırılması sistemin referans konuma ulaşmasında yükselme zamanını azaltmaktadır. Yükselme zamanının azaltılması ile sistem referans değere hızlı bir şekilde ulaşmakta fakat sistemin bu hızlı cevabı referans değeri geçtiği için maksimum aşma miktarını artırmaktadır. Oransal etkinin artırılmasındaki bir başka avantaj ise sistemin kontrol cevabında kalıcı durum hatasının azaltılması olarak söylenebilir. İntegral etki Ki‟nin artırılması ise yine yükselme zamanını ve kalıcı durum hatasını azaltır. Oransal ve integral etkinin birlikte kullanılması (PI) ile sistemin kontrol cevabında maksimum aşma ve yerleşme zamanında artış gerçekleşir. Maksimum aşma miktarının ve yerleşme zamanının azaltılması amacı ile her iki etki türev etki Kd ile birlikte (PID) kullanılır. Oransal (P)
Kp, integral (I) Ki ve türev (D) Kd kazanç parametrelerinin birlikte kullanılması ve sistem cevabına göre seçilmeleri PID kontrolcü performansını iyileştirmektedir. Çalışmada kullanılan PID kontrolcünün kazanç parametrelerinin belirlenmesi teorik esaslar kısmında verilen Tablo 3.2‟ye göre gerçekleştirilmiştir.( Tınkır, 2010)
Bir sistem için PID kontrolör tasarımı yapılmak istendiğinde, sistemden arzu edilen cevabın elde edilmesi için
Sistemin açık çevrim cevabının bulunması ve sistem cevabın iyileştirilmesi için gerekli olan kriterlerin belirlenmesi
Yükselme zamanının geliştirilmesi için sisteme orantı kontrol eklenmesi
Maksimum aşama miktarının azaltılması için sisteme türev kontrol ilave edilmesi
Sürekli rejim hatasının yok edilmesi için sisteme integral kontrol eklenmesi
Uygun cevap bulununcaya kadar Kp, Ki ve Kd kazanç değerlerinin ayarlanması gerekmektedir.
Son olarak da örneğin sistem için en uygun cevap PD kontrol ile sağlanıyorsa, sisteme integral etkinin ilave edilmesine gerek yoktur. Sistemin davranışım en iyi şekilde değiştiren kontrol o sistem için en iyi en ideal kontroldür.
Bir kontrol sisteminden iyi bir performans elde edebilmek için kontrol edicinin istenilen referans cevabını karşılaması bakımından en uygun biçimde ayarlanması gerekir. Kontrol organının tipine bağlı olarak, orantı kazancı Kp‟nin, integral kazancı Kj‟nin ve türev kazancı Kd‟nin en uygun şekilde ayarını sağlayan yöntemler mevcuttur. Kontrol edilen sistem karakteristiklerinin yaklaşık olarak bilinmesi halinde Kp, Ki ve Kd‟nin ayarlanması gerektiği değerleri belirlenebilir. Bu parametrelerin nihai değerlerinin ayan sistemin sürekli rejim ve dinamik davranışı arasında bir uyuşma sağlayacak şekilde saptanır.
Kontrol organı ayarında genelde analitik ve deneysel olmak üzere iki yol mevcuttur. Kontrol organının tipi, kontrol edilen sistem ve ölçme elemanı dinamik davranışlarının bilinmesi halinde, kontrol organı tipine göre mevcut bulunan Kp, Kj ve Kd parametrelerinin en uygun değeri analitik olarak hesaplanabilir. Bu hesaplamalarda bir takım optimizasyon ölçütleri kullanılır. Hesaplar teknik yönden mümkün olmakla beraber işlemler oldukça karışık ve zordur. Basit hallerde dahi bilgisayar çözümlerine gerek olmakta ve çeşidi sayısal veya analog hesap yöntemleri kullanılmaktadır. Kontrol
organı ayarında analitik yol fazla karmaşık ve uzun olduğundan uygulamalarda daha çok deneysel yöntemler kullanılır. Sistemin osilasyona girdiği an gerekli datalar elde edilerek Tablo 3.2‟deki veriler kullanılarak Ziegler-Nichols metoduna göre tüm kazanç parametreleri yaklaşımla elde edilmiştir.
Bu çalışmada mobil hidrolik teleskobik vincin halat ucunda yük asılı iken hareketi sonucu oluşan yük salınımını ve vinç uzuvlarının kontrolü PID kontrolcü kullanılarak yapılmıştır. Sistem performansını incelemek amacıyla yapılan simülasyonlarda sistemin PID kullanarak ve kullanmadan kıyaslaması yapılmıştır. Yapılan simülasyonlarda MATLAB/Simulink/PID Toolbox yazılımı kullanılmıştır. PID kontrolcü kazanç parametreleri Kp, Ki ve Kd önce deneme yanılma yöntemi ve Ziegler- Nichols metodu yaklaşımı kullanılarak daha sonra ise PID Tune optimizasyonu yapılarak ayarlanmıştır.
ġekil 5.1 Sistemin Matlab/Simulink Modeli Blok Diyagramı
Mobil hidrolik teleskobik vinç yük salınım kontrol sisteminin MATLAB/Simulink ortamında oluşturulan temel modeli Şekil 5.1‟deki kontrolcüler kullanılarak hazırlanmıştır. Burada PID kontrolcüler sisteme dahil edildikten sonra yapılan öncelikli iş kazanç parametrelerin ayarlanması olacaktır (Yılmaz ve Kalyoncu 2014).
Sistemde dikbom uzvunun hidromotor vasıtasıyla dönme hareketinin konum kontrolü için PID kontrolcü kullanılmıştır. Bu yaklaşıma göre PID kontrolcünün P, I ve D parametreleri; Kp=8651,309, Kİ=8,685, Kd=121428,06 şeklinde bulunmuştur.
Anabom uzvunun kaldırma silindiri vasıtasıyla kalkması hareketinin konum kontrol için PID kontrolcü kullanılmıştır. Bu yaklaşıma göre PID kontrolcü kazanç katsayıları; Kp=3754640,579, Kİ=1500358,131, Kd=12656630,777 şeklinde bulunmuştur.
Dikbom ve anabom uzuvlarının hareketi sonucu oluşan, yükün salınım hareketinden α açısının konum kontrolü için dikbom dönme hareketi kontrolü için kullanılan PID kontrolcüsünü besleyen PD kontrolcü kullanılmıştır. Uygulanan PD kontrolcüsünün P, D kazanç katsayıları; Kp=.2068024,465, Kd=1368102,125 şeklinde bulunmuştur.
γ salınım açısının konum kontrolü için ise anabom uzvunun kalkma hareketi kontrolü için kullanılan PID kontrolcüsünü besleyen PD kontrolcü kullanılmıştır. Bu yaklaşıma göre PD kontrolcü kazanç katsayıları; Kp=1498106,631, Kd=1515208,156şeklinde bulunmuştur.
Son olarak PID kontrolcünün çıkışı, sistemi istenilen salınım açılarında tutabilecek değiştirilmiş tork olarak uygulanmıştır. Tahrik uzuvları bu değiştirilmiş tork ile birlikte geri besleme sistemine dahil ederek salınm açıları α ve γ yı istenilen değerde tutulmaya çalışılmıştır. Kontrolcü tasarımı yapılırken kapalı çevrim sistemini kullanılmış fakat burada bozucu girişler, vincin uzuv hareketlerinin karakteristik davranışlarının yanında ihmal edilebilecek değerde olacaktır. Hazırlanan Matlab modellemesi ve simülasyon sonuçları, çalışmanın Simülasyonlar ve İrdeleme bölümünde ayrıntılı olarak verilmiştir.