denetim sistemi

k o n t r o l s is t e m i olarak
da bilinir, bir değişken niceliğin ya da
değişken nicelikler kümesinin, önceden belirlenmiş
bir düzgeye (norm) uyumunu sağlamaya
yönelik olarak gerçekleştirilen işlemler
bütünü. Denetim sistemleri, denetlenen
niceliklerin değerlerini sabit tutar ya da
bu değerlerin, önceden belirlenmiş biçimdedeğişmesini sağlar. Sistemi oluşturan işlemler,
elektrikli ya da mekanik kumanda
donanımlarıyla, akışkan (sıvı ya da gaz)
basıncıyla ya da bu ve benzeri araçların
birleşik etkisiyle gerçekleştirilir. Denetim
devresinin herhangi bir bölümünde bilgisayarlardan
yararlanıldığında, tüm denetim
sistemlerini elektrikle işletmek daha uygun
olur; buna karşın, birleşik donanımlar oldukça
yaygındır.
Denetim sistemlerinin gelişimi. Denetim
sistemleri, otomasyon(*) kavramıyla yakından
bağlantılı biçimde gelişmiştir, ama gene
de, temel iki denetim sistemi olan geribesleme
ile ileribeslemenin geçmişi oldukça eskilere
dayanır. 1801’de Fransız mucit Joseph
Jacquard’m geliştirdiği dokuma tezgâhı,
ileribeslemeli (ayarlamalı) denetimin ilk
örneğini içeriyordu; bu tezgâhta, delikli
kartlardan oluşan bir deste, dokumanın
desenlerini programlıyor, tezgâhın işlemlerinin
kumanda edilmesinde, sürece ilişkin
herhangi bir bilgi kullanılmıyordu. Benzeri
ileribeslemeli denetim düzeneklerinden, 19.
yüzyılda geliştirilen ve kesici takımların
belirli bir örnek uyarınca çalışması esasına
dayalı olan birçok takım tezgâhında da
yararlanılmıştır.
Makinenin, işlemden elde edilen bilgiler
uyarınca çalıştırılması temeline dayalı olan
geribeslemeli denetimin tarihi, daha da
eskilere gider. Romalı mühendisler, inşa
ettikleri sukemerlerindeki su düzeyini, belirli
düzeylerde açılıp kapanan yüzer valflarla
sabit tutuyorlardı. 17. yüzyılda Felemenk’teki
rüzgâr değirmenlerinde ise, değirmenin
üst bölümünü döndürerek kanatların
rüzgârı cepheden almasını sağlayan
yardımcı kanatlar bulunuyordu. Sanayi
Devrimi sırasında hızla yaygınlaşan geribeslemeli
denetim düzeneklerinin en ünlü
örneği ise, James Watt’in 1769’da geliştirdiğitoplu regülatördü; bu aygıt, buhar makinesine
buhar akışını ayarlayarak, yük değişse
de makinenin çalışma hızının sabit kalmasını
sağlıyordu.
Bir denetim sistemine ilişkin ilk kuramsal
çözümleme, 19. yüzyılda, Watt regülatörünün
bir diferansiyel denklem modelini geliştiren
İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell
gerçekleştirdi. Maxwell’m yayımladığı bu
çalışması kısa sürede genelleştirildi ve birçok
başka bilim adamının da katkısıyla
denetim kuramı geliştirildi. Özellikle
1922’de yayımlanan, ABD zırhlısı “New
Mexico”nun otomatik dümen sistemine ilişkin
çalışma, bu doğrultudaki çabalara
önemli hız kazandırdı. 1930’larda, uzun
erimli telefon yükselteçlerindeki (amplifikatör)
elektrikli geribesleme düzeneklerinde
önemli ilerlemeler gerçekleştirildi. Benzer
bir gelişme de, az miktardaki bir güçle çok
büyük ölçekli güçlerin denetlenmesini ve
bunlara otomatik olarak kumanda edilmesini
sağlayan servomekanizmalarm genel kuramı
alanında görüldü. Bunu, kimya ve
petrol sanayilerindeki otomatik sistemlerin
önemli ölçüde geliştirilmesini olanaklı kılan
pnömatik (havalı) denetleyicilerin ve örnek-
Tipik birsel (anagol) 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.
sal çalışmaların ve uygulamaların çoğu tek
döngülüydü; yani, bu sistemler, yalnızca tek
bir noktadan geribesleme ve kumanda özelliği
taşıyordu. 1950’lerde, 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. Örneksel ve sayısal (dijital) 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.
Temel ilkeler. Az sayıdaki ve görece önemsiz
aykırı durumun dışında, tüm modern
denetim sistemlerinin iki temel ortak özelliği
vardır: (1) Denetlenen niceliğin değeri,
gücünü gelen sinyallerden değil, yerel bir
kaynaktan alan bir motor (sözcüğün genel
anlamıyla) yardımıyla ayarlanır (değiştirilir).
Böylece, denetlenen nicelik üzerinde
gerekli ayarlamaları yapabilmek ve bu ayarlama
işlemlerinin, denetim kesinliğinin bağlı
olduğu sinyalleri yükseltmesini ve saptırmasını
engellemek için gerekli olan büyük
miktardaki güç elde edilebilir duruma gelir.
(2) Denetlenen niceliğin değerlerinin ayarlanması
amacıyla motora yüklenen gücün
beslenme hızı, denetlenen niceliğin gerçek
ve istenen değerleri arasındaki farkın belirli
bir fonksiyonu tarafından, hemen hemen
doğrudan belirlenir. Böylece, örneğin termostatikbir ısıtma sisteminde, fırına yakıt
besleme işlemi, gerçek sıcaklığın, istenen
sıcaklıktan daha düşük ya da daha yüksek
olup olmamasıyla belirlenir. Bu temel özelliklere
sahip bir denetim sistemi, kapalı
döngü denetim sistemi ya da servomekanizma
olarak adlandırılır (bak. çizim). Açık
döngülü denetim sistemleri, ileribeslemeli
sistemlerdir.
Bir denetim sisteminin kararlılığı, büyük
ölçüde, sistemin kendi üzerine aniden yüklenen
sinyale vereceği karşılıkla belirlenir.
Eğer bu tür bir sinyal, sistemin kendisini
aşırıayarlamaya sokmasına yol açarsa, salınım
olgusunun doğmasına neden olur. Salınım
durumundaki bir sistem, kendisini önce
bir doğrultuda aşırıayarlar ve daha sonra
öteki doğrultuda aşırıayarlar. Salınım olgusu
istenmeyen bir durum olduğundan, bunun
önüne geçmek için çeşitli önlemler
alınır. En yaygın önlem, sistemin belirli bir
yerine sönümleyici eklenmesidir. Sönümleyiciler,
sistemin karşılık verme hızını yavaşlatır
ve aşırıayarlamalan engeller. Sönümleyiciler,
bir elektrik devresinde elektrik dirençleri,
mekanik bir devrede fren uygulaması,
ya da amortisörlerde olduğu gibi,
yağın küçük bir deliğe doğru zorlanması
biçiminde olabilir.
Bir denetim sisteminin kararlılığını anlamaya
yönelik bir başka yöntem de, frekans
yanıtını, yani sürekli olarak değişen çeşitli
frekanslardaki girdi sinyaline karşılık verme
yeteneğini belirlemektir. Böylece, denetim
sisteminin çıktısı ile girdisi, genlik ve faz
açısından, yani girdi ve çıktı sinyalleri
arasındaki sapma açısından karşılaştırılır.
Frekans yanıtı, özellikle elektrikli sistemlerde,
deneysel olarak belirlenir ya da, eğer
sistemin sabitleri biliniyorsa, matematiksel
olarak hesaplanır. Matematiksel hesaplamalar,
özellikle, adi doğrusal diferansiyeldenklemlerle ifade edilebilen sistemlerde
kullanışlıdır. Sistem yanıtlarının araştırılmasında,
grafik kestirmelerden de yararlanılır.
Gelişkin denetim sistemlerinin tasarımında,
birçok başka teknik de kullanılır. Uyarlamalı
denetim, sistemin kendi işlemlerini,
en iyi olası işlem tarzını sağlamak doğrultusunda
uyarlayabilme yeteneğidir. Belirli
bir denetimin uyarlamalı özellikte olabilmesi
için, şu işlevleri yerine getirebilmesi
gerekir: sistemin içinde bulunduğu durumlara
ilişkin olarak sürekli bilgi sağlaması ya
da süreci tanımlaması; sistemin belirli bir
andaki başarısını, istenen ya da optimum
başarıyla karşılaştırması ve sistem üzerinde,
tanımlanmış başarıya ulaşabilmesi için gerekli
değişiklikleri yapmak doğrultusunda
karar vermesi; ve denetim sistemini optimuma
yöneltecek gerekli düzeltmeleri başlatması.
Bu üç ilke (tanımlama, karar
verme ve düzeltme) tüm uyarlamalı sistemlerde
bulunur.
Dinamik optimizasyonlu denetimde, denetim
sistemi, belirli bir başarı ölçütünü elde
etmeye yönelik olarak işler. Bu ölçüt çoğunlukla,
denetlenen sistemin, olanaklı en kısa
zamanda ya da en düşük toplam harcamayla,
özgün konumdan yeni bir konuma
geçmesi esasına göre formüle edilir.
Öğrenmeli denetim, denetim sisteminin
belirli bir düzeyde hesaplama yeteneğine
sahip olması ve böylece, denetlenen değişkenin
matematiksel modelinin tanımlarını
geliştirebilmesi ve işlemlerini bu yeni bilgiler
doğrultusunda düzeltebilmesi anlamına
gelir. Bu açıdan öğrenmeli denetim, uyarlamalı
denetimin gelişkin bir biçimidir.
Çokdeğişkenli etkileşimsiz denetim ise, iç
değişkenlerinin büyüklüğü sürecin öteki
ilgili değişkenlerinin değerlerine bağlı olan
geniş sistemleri içerir. Bu tür işlemler için,klasik denetim kuramının tek döngülü teknikleri
yetersiz kaldığından, gerekli denetim
sistemlerini kurabilmek için daha karmaşık
ve gelişkin tekniklerden yararlanılır.
Modern denetim uygulamaları. Sanayideki
denetim uygulamalarında, kuramsal otomatik
denetim yöntemlerinin bir otomatik
denetim sisteminin tasarımını yapmaya ya
da etkilerini tümüyle önceden kestirmeye
yeterli olmadığı birçok duruma rastlanır.
Bu durum, çoğu sanayi tesisinde bulunan
çok büyük enterkonekte sistemler için de
geçerlidir. Bu tür sistemlerde, belirli bir
durumdaki olası işlemler sırasını değerlendirmekte,
matematiksel bir teknik olan
yöneylem araştırmasından(*) yararlanılabilir.
Bir sanayi tesisinde hangi fiziksel denetim
sisteminin kurulması gerektiğine karar vermek
durumunda olan denetim sistemi mühendisleri,
çok sayıdaki donanım ve donanımlara
ilişkin kullanım yöntemleri arasından
seçim yaparlar. İlgili sinyallerin, yani
bir akımın, gerilimin ya da hava basıncının
sürekli değişen bir fiziksel tanımını kullanan,
örneksel tipteki aygıtlar kümesinden
yararlanmayı tercih edebilirler. Bu tür sinyallerle
çalışan aygıtlar, yalnızca tek bir
sinyal girdisi alabilirler ve tek bir kumanda
çıktısı verebilirler. Bu nedenle^ bunlar çoğunlukla
tek döngülü sistemlerdir ve toplam
denetim sistemi bu türden bir dizi aygıtın
bir araya getirilmesiyle kurulur. Örneksel
türden bilgisayarlar, birçok değişkeni birden
algılayarak, daha karmaşık denetimişlevlerini yerine getirebilirler. Ama bu tür
uygulamalar, son derece özgün alanlarda
yapılır ve fazla yaygın değildir.
Bir sanayi tesisinde kullanılan denetim
aygıtlarının sayısı, tesisten tesise değişir.
Bunlar, temel olarak tesisin işletim koşullarının
izlenmesinde kullanılan birkaç gösterge
biçiminde olabilir. Bu durumda operatör, işletme koşullarının normal olup olmadığını
gözler ve gerektiğinde düzeltmeler
yapar. Öte yandan, hemen hemen tüm
olasılıkları dikkate alan bir denetim sistemi
kurmayı olanaklı kılan karmaşık ve çok
çeşitli aygıtlar da vardır. Bu tür aygıtlarla
kurulan denetim sistemleri, öngörülebilen
tüm aksamaları otomatik olarak denetler ve
işlemin istenen doğrultuda sürmesini sağlar.
Sayısal bilgisayarların 1960’larda geliştirilen
son derece güvenli türleri, sanayi tesislerindeki
denetim sistemlerinin önde gelen
öğesi durumuna geldi. Bilgisayarlar sanayideki
denetim problemlerine, gözetleyici
denetim ya da optimizasyon denetimi, doğrudan
sayısal denetim ve düzey (hiyerarşi)
denetimi işlevlerine yönelik olarak uygulanır.
Gözetleyici denetim 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
teknede gerçekleşebilir. Gözetleyici denetim
sistemi, çeşitli nedenlerle, termostatın
düzeyini yeniden ayarlayabilir. Gözetleyici
denetimin amacı, tesisin işletim düzenini
korumak ve böylece giderleri düşürmek ya
da üretimi artırmaktır.
Doğrudan sayısal denetimde, tek döngülü
örneksel denetleyiciler grubunun yerini tek
bir sayısal bilgisayar alır. Bu bilgisayarın
daha yüksek hesaplama yeteneği, daha
karmaşık ileri denetim tekniklerinin uygulanabilmesini
olanaklı kılar.
Düzey denetimi, bir tesisteki tüm denetim
durumlarına bilgisayarların uygulanması yoluyla
kurulur. Bu nedenle de, bir tesisinişletimindeki en yüksek yönetsel kararlardan
bir valfın çevrilmesine kadar her düzeyden
etkinliği bütünleştirebilmek için, en
gelişkin bilgisayarlara ve otomatik denetim
aygıtlarına gereksinim duyar.
Sayısal bilgisayarların, klasik denetim sistemleri
karşısındaki üstünlüğü, son derece
çeşitli ve değişik görevleri yerine getirebilecek
biçimde programlanabilmeleridir. Ayrıca,
belirli bir işlemin yetersiz kalması durumunda,
sisteme yeni görevler yüklemeye
yönelik olarak bilgisayarların programları
kolaylıkla değiştirilebilir ve yeğlenen işlemlere
ilişkin yeni programlar yüklenebilir.
Sayısal bilgisayarlarda bu değişiklikler, denetim
sisteminin fiziksel donanımında herhangi
bir değişikliğe gerek kalmaksızın
yapılabilir. Ama eski denetim sistemlerinde,
çoğu kez donanım malzemelerinin ve
aygıtlarının yenilenmesine gerek duyuluyordu.
Denetim sistemleri, modern fabrikalardaki
üretim zincirlerinin otomasyon donanımlarının
başlıca bileşeni durumuna gelmiştir.
Otomasyon, 1940’larda, büyük malzemelerin
(örn. motor blokları) üretim zinciri
boyunca taşınmasını ve konumlanmasını
olanaklı kılan aktarma makinesinin geliştirilmesiyle
birlikte ortaya çıktı. Eski makinelerde,
yukarıda anlatılan türden bir geribeslemeli
denetim bulunmuyordu. Buna
karşılık, taşıma işlemleri ve yerleştirmeye
ilişkin son düzeltmeler ve ayarlamalar elle
yapılıyordu. Ama seri üretim, aktarma
makinesinin ve buna bağlı denetim sistemlerinin
geliştirilmesini zorunlu kıldı.
İmalat sanayisinde el emeğinin azaltılması,
maliyetlerin düşürülmesi, daha duyarlı tekniklerle
daha kaliteli mal üretilmesi, ürün
üzerinde daha gelişkin denetim çalışmalarının
yapılması doğrultusunda ortaya çıkanzorunluluklar, günümüzde, bilgisayarlı üretim
monitörlerinin, deneme aygıtlarının ve
geribeslemeli denetimli üretim robotlarının
geliştirilmesine yol açtı. Sayısal bilgisayarların,
birçok görevi yerine getirebilecek biçimde
programlanabilmelerinin yanı sıra
kolayca yeni programlarla yüklenebilmeleri,
bu aygıtları yukarıdaki işlemler için
vazgeçilmez duruma getirdi. Benzer biçimde,
otomatik tezgâhlarda takımların aşınmasından
ya da öteki değişikliklerden kaynaklanan
sapmaların giderilmesine yönelik olarak,
takımların konumlandırılmasında ve
çalışma hızlarının belirlenmesinde geribeslemeli
denetim düzeneklerinden yararlanılmaya
başlandı. Böylece, takım ve tezgâhlardaki
aşınma ya da bozulma olasılığı en aza
indirilerek, daha kaliteli mal üretilir oldu.