Kuluçka Makinesinin Bulanık Mantık Ve PID Kontrolü

1--Bu çalışmada, bir tavuk kuluçka makinesinin sıcaklık ve nem kontrolü için bulanık mantık ve PID (Oransal, Türevsel ve İntegral) kontrolcü tasarımı yapılmıştır.

2--Kontrolcülerden istenen performans, kuluçka makinesinin ortam sıcaklığı ve nem oranı değerlerini minimum zamanda istenilen değere getirmek ve bu değerleri korumaktır.

3--Her iki kontrolcü sistem giriş ve çıkış parametrelerine göre birbirlerinden ayrı olarak tasarlanmıştır.

4--Tasarlanan kontrolcülerin sistem üzerindeki performanslarını test etmek amacı ile performans kriterleri belirlenmiştir.

5--Ayrıca kuluçka makinesinin sıcaklık ve nem kontrolü bulanık mantık ile modellenmiştir. Bilgisayar simülasyonları MATLAB/Simulink, bulanık mantık kontrolcü tasarımı ise MATLAB/Fuzzy Logic Toolbox yazılımı ile yapılmıştır.

6--Bir yumurtadan sağlıklı bir şekilde civciv elde edilebilmesi için yumurtanın kuluçka zamanı boyunca belli bir sıcaklık ve nem oranında tutulması ve belirli aralıklarla çevrilmesi gerekmektedir.Tavuk yerine bu işlevleri gerçekleştiren makinelere kuluçka makinesi denir.

6.1--Bir kuluçka makinesinden sağlıklı şekilde civciv elde edilebilmesi için makine içindeki sıcaklığın yaklaşık 37,5 °C, nem oranının kuluçka başlangıcında yüzde 50-60, civciv çıkışının başlangıcında ise yüzde 75 olması istenmektedir.

6.2--Sıcaklığın 37 °C’nin altına düşmesi yada 38 °C’nin üzerine çıkması durumunda civciv ölür.

6.3--Yine nem oranının gerekenden düşük ya da yüksek olması civcivden ileride alınacak verimi etkilemektedir. Bu sebeple kuluçka makinelerinin içindeki sıcaklık ve nem oranının sürekli kontrol edilmesi gerekmektedir.

6.4--Kuluçka makinesinde istenilen ortam sıcaklığı ve nemin elde edilmesi amacı ile çeşitli kontrolcüler tasarlanmıştır. Bunlardan en basit olanı on-off kontroldür.Örneğin ortam sıcaklığı 38 °C’ye çıktığında kontrolcü kuluçka makinesinin ısıtıcı ünitesini kapatır, sıcaklık 37 °C’ye düştüğünde ise açar. Bu şekilde oldukça basit bir kontrol işlemi gerçekleştirilir. Aynı işlem ortamın nem oranı için de yapılır

7--Bu çalışmada kuluçka makinesinin sıcaklık ve nem kontrolü için bulanık mantık tabanlı kontrolcü ve PID kontrolcü tasarlanmıştır.

7.1--Sistemin online kontrolü yapılmadan önce bulanık mantık kullanılarak ortam sıcaklığı ve nem oranına göre ısıtıcı gücünün belirlenmiştir.

7.2--Kuluçka sisteminin bulanık mantık olarak modellenmesinde sıcaklık ve nem oranı giriş, ısıtıcı gücü ise çıkış parametresi olarak kullanılmıştır. Sistemin bulanık modellenmesinden sonra kuluçka sisteminin online sıcaklık ve nem kontrolü için bulanık mantık ve PID kontrolcü tasarımı yapılmıştır.

8--Yumurtaların gelişme evresinde özellikle tavuk yumurtalarının gelişimi için ideal ortam sıcaklığı (OS) 37.5 °C’dir. Bu sıcaklık yumurta embriyosunun gelişmesi için en uygun sıcaklık olarak belirlenmiştir.

8.1--Bir diğer önemli faktör ise yumurta içindeki embriyonun kuruması engelleyen ortamın nem oranıdır (ONO). En ideal nem oranı ise yüzde 60 ve aşağısı olarak belirlenmiştir.

8.2--Ortam sıcaklığının kontrolünde üst sıcaklık değeri 37.8 °C, alt sıcaklık değeri ise 37.1 °C’dir. Makinenin sıcaklık kontrolü için bu iki değer sınır olarak alınmıştır.

8.3--En başta belirtildiği gibi embriyo gelişimi için en uygun sıcaklık değeri 37.5 °C’dir. Bu sıcaklık değerini sağlamak için (± yüzde 5 °C tolerans aralığında) bulanık mantık ve PID kontrolcü tasarlanmıştır.

9--Isıtıcı Enerjisi (IE) = [ 0 – 240 Watt ]

10--Kuluçka makinesinin sıcaklık ve nem kontrolünün online yapılması için öncelikli olarak sistem modellenmiştir. Modelleme yapılırken on-off kontrol ile çalıştırılan bir kuluçka makinesinin sıcaklık değeri olarak 37,5 °C ve nem değeri olarak %60’a getirilmesi esas alınmıştır.

10.1--Bu tür bir kontrol ile çalışan sitemde kontrol alt ve üst değerler esas alınarak gerçekleştirilmektedir. Burada makine ilk çalıştırıldığı andan itibaren belli bir süre geçtikten sonra iki sınır değer arasında referans değerini yakalamaya çalışmaktadır.

10.2--Bu çalışmada ise, bulanık mantık ve PID kontrol kullanılması ile minimum zamanda referans değerlerin elde edilmesi amaçlanmıştır.

11--Bulanık kontrol, Zadeh ve Mamdani tarafından, kontrol sürecinde belirsizlik durumlarında uzman bilgisi ile deneyimi birleştirmek olarak tanımlanmıştır.

11.1--Bulanık kontrol sistemlerinin avantajı kontrol için uygun matematiksel modele gereksinim duyulmamasıdır. Geçen zaman içerisinde bulanık mantık tabanlı kontrolün temel dayanağı olan bulanık mantığın, insan düşünme yapısına ve dilsel değişkenlerine klasik mantıktan çok daha yakın olduğu kabul edilmiştir.

11.2--Olasılık ve bulanık kavramları arasındaki en önemli farklılığın bir deterministik belirsizlik olmasıdır.

11.3--Bulanık sistemler bilgi tabanlı ve kural tabanlı sistemlerdir. Bulanık mantığın temeli EĞER-İSE kurallarından oluşmaktadır.

12--Literatürde bulanık mantık için iki şekilde açıklama yapılmaktadır.

12.1--Gerçek dünya çok net ve açık tanımlamalar yapmak için fazlası ile komplikedir. Bundan dolayı bir yaklaşıklık yapmak zorunluluğu vardır.

12.2--Gerçek sistemler için önemli bilgiler iki kaynaktan elde edilir. Birinci kaynak; insan tecrübesi, diğer ise sensör ölçümleri ve fiziksel kanunlardan çıkarılan matematiksel modellerdir. Hedef, bu iki bilgi kaynağını kullanarak sistem dizaynını yapmaktır.

12.3--Bu kombinasyonu oluşturmak için insan tecrübesini ve bilgisini, matematiksel modele ve sensör ölçümlerine göre nasıl formüle edilebileceğini saptamak anahtar problemdir.Diğer bir deyişle sorun insan bilgisinin ve tecrübesinin nasıl formüle edileceğidir.

12.4--Bulanık sistemler uzman insan bilgisini formüle etmek için kullanılmaktadırlar. Uzman insan, sistem hakkındaki bilgisini EĞER-İSE kurallarıyla ifade edebilirse bu kurallar bulanık sistemin oluşturulmasında kullanılabilir. Ancak bu kurallar elde edilemiyorsa, sistemin tipik durumları için denemelerle çeşitli giriş çıkış çiftleri elde edilerek bulanık sistem tasarımı yapılır.

12.5--Ancak birçok pratik uygulamada elde edilen giriş çıkış çiftleri sınırlıdır ve bundan dolayı rasgele bir giriş için çıkış değeri elde edilemeyebilir.

12.6--Bu durumda yapılması gereken eldeki giriş çıkış çiftleri ile giriş çıkış davranışını karakterize eden bir bulanık kontrolcü tasarlamaktır. Kuluçka makinesinin bulanık mantık kontrolü için bulanık mantık kural tablosu kullanılmıştır.Bu kural tablosunda; NB, N, Z, P, PB simgeleri sırası ile Negatif büyük, Negatif, Sıfır, Pozitif ve Pozitif büyüğü temsil etmektedir.

12.7--Kural tablosu 25 adet ayrı kuraldan oluşmuştur. Üyelik fonksiyonları olarak en uygun sonucu verdiği için üçgen üyelik fonksiyonları tercih edilmiş, deneme ve yanılma yaklaşımı, iyi bir kontrolcü performansı elde etmek için kullanılmıştır.

12.8--Kuluçka makinesi kontrol sistemi MATLAB\\SIMULINK programı kullanılarak modellendikten sonra sistem için en uygun bulanık mantık tabanlı kontrolcü MATLAB\\Fuzzy Logic Toolbox’da tasarlanmıştır.

13--Sistemin ortam sıcaklığının istenen referans değer olan 37,5 °C‘ye yaklaşık 14 s civarında ulaştığı ve bu değeri koruduğu görülmektedir. Bu sonuçlara göre tasarlanan kontrolcüler kontrolcü performans kriterlerini başarı ile sağlamaktadırlar.

14--Sistemin nem kontrolü PID kontrolcü ile gerçekleştirilmiştir.Ortam nem oranı kontrolü için sadece PID kontrolcü kullanılmıştır. PID kontrolcü kazanç parametreleri (Kp, Ki ve Kd ) en uygun sistem cevabı için deneme yanılma yöntemi ile elde edilmiştir. PID kontrolcünün sistemin nem kontrolünde oldukça başarılı olduğunu söyleyebiliriz.

14.1--Nem oranını yüzde 60 olması için yaklaşık 7 s geçtiği grafikten görülmektedir. Kontrolcü performans kriterlerine göre bu sürenin 10 s ‘den küçük olması istenmektedir. Böylece sistemin PID nem kontrolünün performans kriterlerini sağladığı söylenebilir

15—Sonuç olarak;

15.1--İlk olarak sistemin ortam sıcaklığı ve nem oranına göre ısıtıcı gücünün hesaplanması bulanık mantık olarak elde edilmiştir.

15.2--Daha sonra sistemin istenen sıcaklık ve nem oranına göre sistemin online kontrolü yapılmıştır. Sıcaklık kontrolünde bulanık mantık tasarımı yapılmıştır. Nem kontrolünde ise sadece PID kontrolcü performansı dikkate alınmıştır. Her iki kontrolcünün sıcaklık ve nem kontrolünde hem birlikte hem de ayrı kullanılmalarına ait grafikler elde edilmiş ve yorumlanmıştır.

15.3--Bu grafiklere göre tasarlanan bulanık mantık ve PID kontrolcünün sistem üzerinde oldukça etkili olduğu ve tatmin edici sonuçlar verdiği kanısına varılmıştır. Fakat bulanık mantık kontrolcü için daha iyi bir kural tablosu ve farklı tip üyelik fonksiyonları kullanılarak kontrolcü performansı artırılabilir. PID kontrolcü içinde kazanç parametrelerinin değiştirilmesi ile sistem için daha iyi bir kontrolcü tasarımı yapılabilir.

Kaynakça:Mustafa TINKIR, Serkan DOĞANALP , Mete KALYONCU,Ümit ÖNEN-Selçuk Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi