Ziegler – Nichols yöntemi 29 

J.G. Ziegler ve N.B. Nichols, verilen bir sistemin geçici yanıt karakteristi÷ine dayanan oransal kazancı Kp, integral zamanını Ti ve türevsel zamanı Td belirlemek için kurallar sunmuútur. J.G. ZIEGLER VE N.B. NICHOLS’ün 1942 yılında yayınladıkları “Optimum Settings for Automatic Controllers” adlı makale ile sundukları PID kontrolörler için tasarım yöntemleri günümüzde halen en çok kabul gören ve kullanılan tasarım yöntemi olma özelli÷ini taúımaktadır. Makalede iki çeúit yöntem sunulmuútur ve her ikisi de süreç dinami÷inin birkaç parametre ile karakterizasyonuna ve kontrolör parametreleri için basit denklemlere dayanmaktadır [3]. Bu yöntemler basamak yanıtı yöntemi ve frekans yanıtı yöntemi olarak adlandırılmakta ve süreç (iúlem) kontrol endüstrisinde halen geniú bir alanda kullanılmaktadır.

4.2.1.1 Ziegler-Nichols frekans yanıtı yöntemi

ødeal PID katsayılarının hesaplanabilmesi için sistemin matematik modelinin bilinmesi gerekmektedir. Ancak birçok endüstriyel uygulamada oldu÷u gibi model bilinmiyorsa katsayı ayarları bazı deneysel yöntemler ile en iyi de÷erlere yaklaútırılabilir.

Bu plan, kapalı döngü frekans yanıtının Nyquist e÷risinin bazı özellikleri tarafından sistem dinamiklerinde tanımlanan tasarım yöntemine dayanmaktadır. Nyquist e÷risinin negatif reel ekseni ilk olarak kesti÷i yerdeki kritik nokta bilgisi

kullanılmaktadır. Sistemin Nyquist e÷risinin kritik noktasından elde edilen iki de÷er kullanılarak, PID kontrolör için önerilen parametreler bulunur.

Ziegler-Nichols frekans yanıtı yöntemine bakacak olursak, kapalı çevrim sistemlere, sadece oransal denetleyiciyle kontrol edilirken birim basamak giriú uygulanır. P kazancı (Oransal kazanç) de÷eri Kp, sistem cevabı eúik kararlılık sınırına gelene dek artırılır ve sistemin cevabi sinüzoidal cevaba yaklaúır. Bu durumda için kritik kazanç de÷eri ku ve sinüzoidal kritik periyodu tu tespit edilir. Kullanılacak kontrolör tipine göre ku ve tu=2ʌ/Ȧc de÷erleri aúa÷ıda verilen formüllere göre ayarlanır (Çizelge 4.1).

Uygulamada integral ve türev terimleri olmaksızın, kontrolör kazancı Kp, integralsiz ve türevsiz, osilasyonun ve frekansında Kp = ku konumunda yer alıncaya kadar

yükseltildi÷inden genellikle kapalı döngü yöntemi olarak gösterilir.

Çizelge 4.1 : Ziegler-Nichols frekans yanıtı yöntemine göre PID katsayıları. Kontrolörler PID Kontrolör Parametreleri

Kp Ti Td

P 0.5 ku - -

PI 0.45 ku 0.8 tu -

PID 0.6 ku 0.5 tu 0.125 tu

Avantajları:

1) Kolay tecrübe edilebilir, sadece P kontrolörün de÷iútirilmesi gerekir

2) Sistemin nasıl hareket etti÷ini hakkında daha kesin bir resim veren bütün sürecin dinami÷ini içerir

Dezavantajları:

1) Tecrübe etmek zaman alıcı olabilir

2) P kontrolörü denerken, sistemi kontrol dıúı bir hale getirebilecek, kararlı olmayan bölgeye sokma riski vardır.

4.2.1.2 Ziegler-Nichols basamak yanıtı yöntemi

Ziegler ve Nichols, kendilerinin kapalı döngü yöntemlerine ek olarak, PID kontrolör parametrelerini belirlemek için iúlemin açık döngü basamak yanıtından gelen bilgileri kullanan bir yöntem önermiútir. E÷er sistem integratör yöntemi baskın kompleks kutup içermiyorsa e÷ri, genellikle bir basamak iúareti úeklinde sisteme

entegre edildi÷inde, deneysel olarak veya iúlemin dinamik benzetiminden elde edilebilmektedir.

Verilen sistemin üç parametresi, PID kontrolör parametrelerinden alınırken Çizelge 4.2'de verilen Ziegler – Nichols tarafından önerilen ayar denklemleriyle belirlenebilmektedir. Tablo 4.2, kontrolörün Kp, Ti ve Td ba÷ıl büyüklükleri, kapalı döngü yöntemi veya frekans yönteminde kullanılan büyüklüklere benzer oldu÷unu göstermektedir.

Çizelge 4.2 : Basamak yanıtı yöntemine dayalı Ziegler-Nichols tasarım kuralları. Kontrolörler PID Kontrolör Parametreleri

Kp Ti Td P ͳ ܭ ൬ܮܶ൰ ିଵ - - PI ͲǤͻ ܭ ൬ܮܶ൰ ିଵ 3.33 L - PID ͳǤʹ ܭ ൬ܮܶ൰ ିଵ 2.0 L 0.5 L Avantajları:

1) Di÷er yöntemlerden daha hızlı ve kullanımı daha kolaydır Dezavantajları:

1) Sadece birinci mertebeden sistemler için kullanılabilmektedir. 2) Sistem parametrelerine ba÷ımlıdır.

Ziegler – Nichols ayar denklemleri, ayar noktasında basamak de÷iúimleri için osilasyonlu kapalı döngü yanıt e÷risi ile sonuçlanır. Çünkü bu denklemler aslında ikinci dereceden bir sistem eúitli÷i için sönüm katsayısı ȗ= 0.22'ye göre, dörtte bir oranı sa÷lamak için dizayn edilirler. Bununla birlikte osilasyonsuz ayar noktasından büyük bir sapmayı engelledi÷inden, bu e÷ri gürültülü giriú için çok caziptir. Ayrıca bu de÷erler, PID kontrolör parametreleri için iyi bir ilk tahmin imkanı sa÷lar ve daha sonraki ayarlar için bir baúlangıç noktası gibi kullanılabilir.

4.2.2 Cohen-Coon yöntemi

Kontrolör ayarlamalarında Cohen-Coon yöntemi, açık çevrim zaman sabitine göre büyük ölü zamana sahip sistemlerde, Ziegler-Nichols yöntemi tarafından verilen

yavaú, kalıcı-hal hatasına sahip sistem yanıtını düzeltir. Bu yöntemin pratik anlamda kullanılabilmesi için sistemin büyük ölü zamanının olması gereklidir, aksi halde anlamsız büyük kontrol kazançları ön görülecektir. Bu yöntem sadece birinci mertebeden ölü zamanlı sistemler (FOTD) için kullanılır, bundan dolayı bozucuya karúı anında yanıt veremez (step bozucu anlık yerine aúamalıdır).

Cohen-Coon yöntemi, çevrimdıúı ayarlama yöntemi sınıfına girer, bu da kalıcı haldeyken giriúe step de÷iúiminin bir kez tanıtıldı÷ı anlamına gelir. Daha sonra çıkıú, zaman sabiti ve ölü zamana göre hesaplanır ve bu tepki baúlangıç kontrol parametrelerinin de÷erlendirilmesinde kullanılır.

Ana dizayn kriteri yük bozucularının görmezden gelinmesidir. Cohen-Coon yöntemi için, minimum ofseti ve ¼ standart sönüm oranını elde etmek için bir takım önceden belirlenmiú ayarlamalar vardır. Bir ¼ sönüm oranı, ikinci osilasyon birinci osilasyonun ¼ genli÷ine sahip olacak úekilde osilasyonu azalan bir tepki göstermesidir. Bu yöntem baskın kutupları, çeyrek genlik sönüm oranı verecek úekilde yerleútirmeye çalıúır. P ve PD kontrolörler için sönüm oranındaki engele (baskıya) ba÷lı olarak, kutuplar maksimum kazanç verecek úekilde ayarlanır. PI ve PID kontrol için, integral kazancı maksimize edilir. Bu, birim basamak yük bozucusundan dolayı, tümleúik hatayı, integral hatasını minimize etmeye karúılık gelir. PID kontrolörler için üç kapalı çevrim kutbu görev alır, iki kutup kompleks olup, üçüncü kutup ise di÷er kutuplar gibi orijinden aynı uzaklıkta yerleútirilir. Bu ayarlamalar aúa÷ıdaki tabloda gösterilmiútir [17].

Çizelge 4.3 : Cohen-Coon kestirimini optimize etmek için kullanılan standart önerilen denklemler. ………

Kontrolörler PID Kontrolör Parametreleri

Kp Ti Td P ܲ ܰܮ ൬ͳ ൅ܴ͵൰ - - PI ܲ ܰܮ ൬ͲǤͻ ൅ͳʹ൰ܴ ܮ כ ൬͵Ͳ ൅ ͵ܴͻ ൅ ʹͲܴ൰ - PID ܲ ܰܮ ൬ͳǤ͵͵ ൅ܴͶ൰ ܮ כ ൬͵Ͳ ൅ ͵ܴͻ ൅ ʹͲܴ൰ ͳͳ ൅ ʹܴͶܮ Yukarıda bahsi geçen P,N ve L de÷erleri ise aúa÷ıda belirtilmiútir,

N : Çıkıútaki yüzde de÷iúim L : IJdead

R : IJdead/T

Alternatif olarak, (P/NL) yerine K (sistem kazancı kullanılabilir). K, T ve L süreç yanıt e÷risinden belirlenir.

Cohen-Coon Yöntemi için izlenecek adımlar: 1) Süreç kalıcı hale ulaúıncaya kadar beklenir, 2) Giriúe bir step de÷iúimi uygulanır

3) Çıkıúa ba÷lı olarak, giriúe bir step uygulandı÷ında, kazanç K, zaman sabiti T ve L kadar zaman gecikmeli (ölü zamanlı) birinci mertebeden yaklaúık bir süreç elde edilir.

4) Son olarak da K,T ve L parametrelerine ba÷lı aúa÷ıdaki tablo kullanılarak PID kontrolör parametreleri Kc, Ti ve Td katsayıları belirlenir.

Çizelge 4.4 : Cohen-Coon yöntemine göre PID katsayıları. Kontrolörler PID Kontrolör Parametreleri

Kp Ti Td P ͳ ܭܴ ൬ͳ ൅ܴ͵൰ - - PI ͳ ܭܴ ൬ͲǤͻ ൅ͳʹ൰ܴ ܮ כ ൬͵Ͳ ൅ ͵ܴͻ ൅ ʹͲܴ൰ - PID ͳ ܭܴ ൬Ͷ͵ ൅ܴͶ൰ ܮ כ ൬͵Ͳ ൅ ͵ܴͻ ൅ ʹͲܴ൰ ͳͳ ൅ ʹܴͶܮ   ൌ_ (4.13)

E÷er L küçükse, kontrol parametreleri ZN ayarlama kuralları tarafından elde edilmiú di÷erlerine çok yakındır.

Avantajları:

1) Ölü zamanlı sistemler için kullanılması 2) Daha hızlı kapalı çevrim tepki süresi Dezavantajları:

2) Sadece büyük süreç gecikmesine sahip 1. mertebeden sistemlerde kullanılabilmesi ve çevrim dıúı bir yöntem olmasıdır.