Yüksek sıcaklıkta su soğutmalı çalışan motorlar için motorun zarar görmesi suyun kaynamaya başlamasıyla meydana gelir. Bazı otomobil motorları yüksek sıcaklıklarda çalışmayı sever özellikle bu motorlarda sıcaklıklar suyun kaynama sıcaklığına çok yakındır. Bu sıcaklıklarda motorun ön kısmında bulunan vantilatör çalışıp sıcaklığı düşürerek belirli bir sıcaklıkta tutmaya çalışır. Bunların benzer örnekleri arasında bilgisayar fanları, deney setlerindeki soğutma fanları olarak söz edilebilir. Burada motorun suyun kaynama sıcaklığını anlaması tek bir şekilde olur ve bu olay “termostat” ile sağlanır. Otomobillerde kullanılan termostatlar genel olarak mekanik aygıtlardır.
Bu termostatlar yaylı sisteme sahip olup basit bir fiziksel yapısı vardır. İstenilen sıcaklığa uygun malzemeden yapılan bu sistemin içinde sıcaklığa duyarlı bir kısım vardır ve bu yaya bağlı olan bu kısım motor istenmeyen sıcaklığa çıktığında genleşen yay sayesinde termostat devreye girerek soğutma işleminin başlamasını sağlar. Mekanik olmayan termostatlar ise içinde elektronik devre olan sıcaklığa, sese veya bir şiddete duyarlı sensör vardır. Bu sensör sıcaklığı, sesi veya şiddeti algıladığı zaman ilk başta bulunduğu açık konumdan kapalı konuma gelerek devrede soğutucu sistemin çalışmasını sağlamaktadır. Hemen her elektronik cihazda bulunan termostatlara en bilindik örneklerden vermek gerekirse klimalar ve ısıtıcı sistemler gösterilebilir.
Şekilde oransal devrenin set noktası civarındaki salınımı verilmşitir.
Özellikle elektronik deney sistemlerinde termostat biraz daha farklı bir sistemde karşımıza çıkmaktadır. PID termostatlar daha doğrusu PID kontrollü termostatlar. PID baş harflerini İngilizce olarak Proportional, Integral, Derivative kelimelerinden alan yani Oransal, İntegral ve Türevsel devrelerden oluşan bir sistemdir. PID sistemi mekanik veya elektronik olarak bilinen termostat sistemlerinden farklıdır. Bu farklılığın başında hassasiyet gelmektedir. Örneğin bir sistemin sıcaklığı kabaca 95 °C sıcaklıkta tutulacaksa burada elektronik hatta mekanik termostat kullanılabilir. Ancak bu sistemin sıcaklığı 95.37 °C sıcaklıkta tutulacaksa PID kontrollü termostat gereklidir. PID sisteminin çalışmasına daha yakından bakmak gerekir.
Şekilde 95.37 °C sıcaklıkta sabitlenmiş PID sıcaklık grafiği görülmektedir.
Şekilde şematik olarak bir PID devresi görülmektedir.
PID sistemi yukarıda da bahsettiğim gibi temelde 3 devreden oluşur. Oransal devre giriş ile çıkış sinyali arasındaki hata payını hesaplayarak giriş sinyaline bilgi verir. Oransal devre sonunda eğer bizim PID sistemimiz sıcaklık için hazırlanmış ise burada çıkış sinyalinin sıcaklık karşılığı bir sıcaklık aralığında sinüzoidal bir hareket yapar örneğin 95 °C isteniyorsa oransal devre sonucunda kabaca 97 °C ile 93 °C arasında sıcaklık gidip gelmektedir. Yani bir oransal band oluşur. Peki bu durum yeterli midir? Mekanik bir sistem için yeterli ama Tıpta kullanılan bir cihaz için asla yeterli değildir. Dolayısıyla İntegral devresi gereklidir. İntegral devresi aslında kare dalga olarak gelen bir sinyali üçgen dalgaya çevirerek çıkışını sağlar dolayısıyla çıkan sinyaldeki oransal bant daha da azaltılabilir. Bu oransal bant istenilen değere oturana kadar integral alıcı devre çalışmaya devam eder. Başka bir deyişle dikkat edildiğinde grafikte periyodun daha büyük olması eğrinin daha düz olacağı ve genliğinin gittikçe azalacağı anlaşılabilir. Ancak integral alıcı devreden sonra da küçük bir değer de olsa salınım meydana gelebilir ve istenilen set değeri tam olarak elde edilemez. Bu yüzden türev alıcı devre kullanılarak giriş sinyalindeki hata payı minimize edilerek çıkışta çok daha istenilen bir sinyal elde edilir.
PID denetleme sisteminde kullanılan türev, oransal ve integral ifadeleri yukarıdaki gibi gösterilmektedir. Kd, Ki, Kp sırasıyla türev, integral ve oransal kazançlardır. Tek başına integral alan ve türev alan devreler kullanılmamaktadır. Oransal devreler ile birlikte kullanılmaktadır. Örnek olarak; PD, PI ve PID verilebilir. PID kontrollü termostatlar isminden de anlaşılacağı gibi kullanılan elektronik cihaz içerisinde denetleyici olarak çalışmaktadırlar. PID sisteminin en önemli özellikleri aslında yazımda genel olarak bahsettiğim gibi sıcaklık ayarlamalarında, gürültü şiddeti ayarlamalarında veya istenilen bir değer için devrelerde denetleyici olarak görev almalarıdır. Elektronik devreyi veya cihazı istenilen virgülden sonra iki haneli değere bile hassas bir biçimde sabitleyebilirler.
Polat Narin, BSc.
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar
- http://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller
- http://electronics.ege.edu.tr/egurcan/emyo/3.pdf
- http://www.emo.org.tr/ekler/a0585da677a3c11_ek.pdf
