ENDÜSTRİYEL DENETİMDE GENEL EĞİLİMLER

Prof .Dr. önder Y ÜKSEL

AMELELİKTEN YARATICILIĞA GEÇİŞİN ÖYKÜSÜ

Hep bilindiği gibi, insanoğlu tarih boyunca sürekli bir savaşımın içinde bulunmuştur. Klasik tarih anlayışına göre bu savaşım her zaman insanın insana karşı üstün lüğünü kanıtlama çabasından kaynaklanır ve bu biçimde sunulur. Oysa günümüzün insan toplumunu biçimlen diren olayları açıklayabilmek için savaşların tarihini değil teknoloji tarihini incelemek gerekir.

Teknoloji tarihi, insanoğlunun doğanın olumsuz etkile rinden korunma ve doğa güçlerini kendi yararına dene tim altına alma savaşımının tarihidir. Ateşin bulunma sından bu yana insanoğlu sürekli olarak doğa güçlerine baskın çıkma çabası içinde olmuş, başarılarını çoğu zaman insanlık yararına, kimi zaman da örneğin savaş araçtan geliştirerek insanlık zararına kullanmıştır.

insanoğlunun doğa güçlerini denetime alma savaşımı, belki de yükselen bir hızla bugün de sürmektedir. Biz mü hendisler sosyal evrimin yarattığı görev paylaşımı sonucu oluşan meslek grupları arasında, bu savaşımda en ön saf ta yer alan bir grubu oluşturmaktayız.

MÜHENDİSLİĞE İLK ADIM ilk çağlarda, avını mağarasına daha kolay taşımak için tekerleği yapan kişi belki de mühendisliğin temelini atan kişiydi. İzleyen yüzyıllar boyunca insanlar tekerleği, kaldıracı, palangayı kullanageldiler; fazla soru sormadan, bu yararlı aygıtların, neden ve nasıl yararlı olduğunu araştırmadan.

insanın bu savaşımda iki silahı vardı. Bunlardan birincisi kaba kas gücüydü. Ancak aynı kaba güç, çoğu zaman da fazlasıyla hayvanlarda, hatta cansız doğa olaylarında, esen rüzgarda, akan suda da vardı, insanoğluna üstünlük

sağlayabilecek yetenek ise beyin gücüydü. Doğa güç lerine tam bir egemenlik sağlayabilmek için işte bu gücün kullanılması gerekiyordu. Gerçi insan bir ölçüye kadar hayvanları yönetmeyi, karasabana koşmayı başar mış giderek yeldeğirmenini, bostan dolabını bulmuştu, top kullanarak hemcinsini öldürüyordu ama hâlâ doğa güçleriyle yeterince başedebilmiş değildi: doğa güçle rinden sınırlı olarak yararlanıyordu o kadar. Gerçi ağır tapınak kapılarını buhar gücüyle kapatan, yağ kandille rinde yağ düzeyini ayarlayan düzenekler, yay gücüyle belirli olayları düzenli aralıklarla yineleyen aygıtlar yapıl mıyor değildi ama bunlar önemli sosyal sonuçlan olma yan sınırlı uygulamalar olarak kalıyordu. İnsanın kas gücü gene de üretimin başlıca enerji kaynağıydı. Oysa insanın enerjisi sonsuz değildi ve yorulmak, sıkılmak, bıkmak gibi önemli zaaftan vardı, insangücü ve dayanık lılığı gerekli ilerlemeyi sağlamaya yetmiyordu.

TEKNOLOJİK GELİŞME SONUCU SOSYAL DEĞİŞİM

1 8 . yüzyıl insanlığın sosyal yapısının altüst olduğu dönemdir. Bu yüzyıla doğru Avrupa ana kıtası teknolojik sıçramaya hazır duruma gelmişti. Ancak birikmiş tekno lojik olanaklar savaş gereçleri ya da lükse kanalize edili yordu. Ür et im, egemen sınıflar için desenli lüks ipekli dokumalar, f antazi cam eşyalar, süs saatleri, büyükler için oyuncaklar ya da egemenlik ilişkilerini sürdürmek amacıyla silah yapımıyla sınırlıydı. Söz gelimi, Salzburg' da küçük bir akarsuyun gücü dizginlenmiş; ama bu önem li gelişmeden yalnızca güzel melodiler çalmak ya da kuk la oynatmak için yararlanılmıştı.

Buhar ve su gücünün denetime alınması ilk kez İngiltere' de etkisini gösterdi. Artık yalın avadanlıklar yerine maki nalar çalışıyor; makinalar yün eğiriyor, kumaş dokuyor,

maden kuyularından su boşaltıyor, buharlı gemiler üre t imi dünyanın dört bir yanına taşıyordu. Y eni güç kay nakları insan kas gücünün yerini almıştı.

Teknolojik gelişmeden kaynaklanan ve insan toplumu nun ekonomik, sosyal ve giderek siyasal yapısını etkile yen bu olaylar dizisine "endüstri devrimi" adını veriyo ruz.

SALT MEKANİZASYON YETERLİ Mİ?

Endüstri devrimiyle birlikte kas gücü büyük ölçüde devre den çıkmıştı. Art ık insan daha çok sinir sistemini kulla narak büyük güçleri, makinaları yönetmekle görevliydi.

Böylesine büyük güçleri yönetmek üzere tasarımlan mamış olan sinir sisteminin yetersiz kalması kaçınılmaz bir olguydu. Makinalan yönetmek, söz gelimi hayvanları yönetmeye de benzemiyordu. Herhalde insanların ata bindiği dönemlerde "yanlış sollama yüzünden at çarpış ması" diye bir kavram y o k t u . Salt mekanik güç yanılgı kabul etmiyor, işletmenin yetersizliklerini kendisi düzel temiyordu. Makinaya bu yeteneği vermek, insanın sinir sisteminin görevlerinin de bir kesiminin makinalarca üst lenilmesini sağlamak gerekiyordu. Bu yöndeki ilk adım lar daha endüstri devriminin başlarında, buhar makina lannın denetimiyle atılmıştı. James VVatt'ın buluşu olan düzengeç bir anlamda otomatik denetimin ilk endüstri uygulaması sayılabilir.

ilerde daha derinlemesine inceleyeceğimiz gibi otomatik denetim, yıllar içinde gerek kuramsal, gerekse uygula malı alanda birbirini destekleyen atılımlarla gelişti. Daha iyi denetim olanakları daha karmaşık üretim sistemle rinin tasarımlanmasına yol açarken, karmaşık sistemlerin tasarımı daha da yetkin otomatik denetim yöntemlerine gereksinme doğurdu.

Endüstride otomatik denetimin yaygın biçimde kullanıl masıyla simgelenen döneme "ikinci endüstri devrimi" adı veriliyor. Otomatik denetimin zamanla insanoğlunun görevlerinin daha büyük bir kesimini üstlendiği ve gide rek sinir sisteminin en değerli parçasının, beynin görev lerine de göz diktiği görülüyor.

KARAR VEREN MAKİNALAR

Sınırlı ölçüde de olsa kimi mantıksal karadan verebilen ilk "elektronik beyin'Mer yalnız kimi bıktırıcı hesaplama ları yapmakta kullanılırken, elektronikte sağlanan geliş melerin yarattığı olanaklarla bugün yüksek sığalı, hızlı karar verebilen bilgisayarlar günlük kullanıma girmiş bulunuyor. Giderek bilgisayarların sayısal elektronik ve özellikle mikroişlemciler biçiminde otomatik denetim döngüsünde de yerini aldığını görüyoruz: insan "güçlerin yönetimi" görevini de makinaya devretmiş "yönetimin

programlanması" görevini üstlenmiştir. Artık "üçüncü endüstri devrimi"nden söz edilebilir.

MAKİNALARDA ESNEKLİK

Tüm bu gelişmelere karşın dizgede yine de bir halka eksiktir. Y önet im bilgisayara devredilmiş olsa bile maki nalar belirli görevleri yerine getirmek üzere tasarımlan mıştır, değişken koşullara uyum gösterme yetenekleri yoktur.

Günümüzde bu açık da kapatılmak üzeredir. Endüstride oldukça önemli bir yer tutmaya başlayan robotlar, koşullara ve görevin türüne göre değişik davranışlar gösterecek biçimde programlanabilen, oldukça esnek makinalardır. Bu dönem ilerde belki de "dördüncü endüstri devrimi" olarak adlandırılacaktır.

GELECEKTE NE GÖRÜNÜYOR, ŞİMDİ NEREDEYİZ?

Bundan sonraki aşama belki de kendi programını kendi yapan, kendi deneyimleriyle kendini geliştiren, öğrenen makinaların devreye girmesi olacaktır. İnsanoğlu "ame le" olarak başladığı bu serüvende, artık yalnız "yaratma, koruma ve gözetme" göreviyle yükümlü bir tür " tanrı" konumuna geçmek üzeredir.

Dünyanın gelişmiş ülkeleri bugün dördüncü endüstri dev riminin doğum sancılarını çekjyor. Ülkemizde ise henüz ikinci endüstri devriminin bolca birinci, biraz da üçüncü endüstri devriminin özellikleriyle renklenmiş bir biçimini yaşamaktayız.

OTOMATİK DENETİMİN TARİHSEL GELİŞİMİ

Belirli görevleri kendi kendine, otomatik olarak yerine getiren aygıtların yapımı insanların çağlar boyu tutkusu olmuştur. Ancak kendi kendine çalışan her aygıta oto matik denetim uygulaması olarak bakmak yanlış olur. Otomatik denetimden söz edebilmek için, öncelikle orta da denetlenmesi gereken bir sistem olmalıdır. Bu sistem genellikle yapısı ve özellikleri otomatik denetim tasarım cısı tarafından saptanmayan, yalnızca veri olarak verilmiş olan bir süreç, fabrika ya da benzeri bir sistemdir.

Otomatik denetimin belkemiği "geribesleme" adı verilen kavramdır. Geribeslemenin. ilk uygulamalarını İsa'dan önce 3 0 0 yıllarında eski Y unanda su saatlerinde, yağ kandillerinde sıvı düzey kontrolü biçiminde görüyoruz. Birinci yüzyılda İskenderiye'n Heron tarafından yazılan "Pneumatica" adlı kitapta çeşitli su düzeyi denetim mekanizmalarından söz edilmektedir.

Çağdaş Avrupa'da binaltıyüzlerde kullanılan ilk geribes leme sistemleri Hollandalı Drebbel'in sıcaklık düzengeci ve Papin'in düdüklü tencerelerdeki emniyet subabını andıran basınç düzengecidir.

Endüstriyel bir süreçte bilinçli olarak kullanılan ilk geri besleme sisteminin, James Watt'ın 1769'da geliştirdiği hız düzengeci olduğu kabul edilir (Şekil 1). Bu düze nekte, ölçülen hız, dönen topların hareketiyle bir vanayı açıp kapayarak buhar makinasının hızını düzenlemek tedir.

SEKİLİ. VVatt hız düzengeci

VVatt düzengecini başlangıç olarak alırsak, endüstriyel otomatik denetim tarihini tabloda görüldüğü gibi kabaca üç döneme ayırabiliriz. "Zenaat dönemi" adını verece ğimiz ilk dönem 18. yüzyıldan 20. yüzyıl başlarına kadar sürer. Bu dönemde otomatik denetim alanında sağlanan atılımların ortak özelliği sezgisel ve bulgusal nitelikleri dir. Otomatik denetim sistemlerinde duyarlığı artırmak, yanılgıyı azaltmak yolundaki çabalar çoğu zaman siste min aşırı kertede yavaşlamasına, kimi zaman da kararsız lığa yol açıyordu. "Zenaat" yanı ağır basan otomatik denetim tasarımı kuramsal destekten yoksundu. 1868'de James C. Maxwell'in VVatt düzengecinin türevsel denkle mini kullanmasıyla matematiksel yöntemlerin önemi ortaya çıktı. Hemen hemen aynı yıllarda, Avrupa'nın diğer ucunda Vişnegradski düzengeçler için matematik sel bir kuram geliştirmekteydi. Otomatik denetim tarihinin ikinci dönemi 1900'lerle İkinci Dünya Savaşı arasındaki süreyi kapsar. Endüstriyel gelişmenin hız kazandığı bu dönem büyük çapta güç üre timi ve dağıtımının gerçekleşmesine, havacılık endüstri sinin doğuşuna, kimya endüstrisindeki hızlı gelişmeye, iletişim ve elektronikte önemli atılımlara sahne olmuş tur. Bu dönemde karmaşık endüstriyel sistemlerin ortaya çıkmasıyla, denetim sistemlerinin tasarımında kuramsal

yaklaşımlar önem kazanmıştır. Ancak, kuramın, doğuda ve batıda değişik yönlerde geliştiğini görüyoruz. ABD'de özellikle Bell telefon laboratuvarlarında biraraya gelen Bode ve Nyquist gibi bilim adamlarının katkısıyla önemli gelişmeler sağlanıyordu. Kullanılan yöntemlerse daha çok sıklık bölgesi yöntemleriydi. Böylelikle daha yüksek kerteli, daha karmaşık sistemler incelenebiliyordu. Sov yetler'de ise konu ile ünlü matematikçi ve uygulamalı mekanikçi ilgileniyordu ve sonuç olarak zaman bölge sinde türevsel denklem formülasyonu en geçerli yöntem olarak görülüyordu.

1940'lara doğru çözümsel yöntemlerin kullanımı artmış ve otomatik denetim mühendisliği kendi içinde bir bilim sel disiplin niteliğine kavuşmuştu. Otomatik denetimin üçüncü döneminin bu tarihlerde başladığı kabul edile bilir.

İkinci Dünya Savaşı denetim kuramı ve uygulamasında önemli atılımlara neden oldu. Otomatik pilotlar, radar ve radarlı atış kontrol sistemleri ve geribeslemeye dayalı diğer askeri uygulamalar karmaşık, duyarlı ve hızlı dene tim sistemleri; böyle sistemlerin tasarımı da yeni yön temler, yeni bir bakış açısı gerektiriyordu.

Sıklık bölgesi yöntemleri, ikinci Dünya Savaşı sonrasında da Laplace dönüşümüyle egemenliğini sürdürdü. Bu yeni bilim dalının sınırlan, geribesleme kavramıyla açıklanabi lecek yeni problem alanlarıyla ilgilenen "sibernetik" bili minin babası Norbert VViener'in çalışmalarıyla daha da genişledi. Evans'ın kök yer eğrisi yöntemi ise s bölgesi yöntemlerini daha da güçlendirdi.

ilk yapay uydu Sputnik, denetim mühendisliği için yeni bir dürtü oldu. Başlayan uzay yansı daha karmaşık ve daha duyarlı denetim sistemlerine gereksinim duyuyor du. Bu dönemde kuram, örneklenmiş veri sistemlerini, rastgele parametreli ve doğrusal olmayan sistemleri de içine alacak biçimde gelişti. Tüm bu gelişmeler örneksel ve sayısal bilgisayarların ve doğrudan sayısal denetim için sayısal elektronik ve mikro işlemcilerin gelişmesiyle daha da büyük bir hız kazandı.

1950'lerin sonlarında zaman bölgesi yöntemleri bir anlamda yeniden keşfedildi. Durum uzayı kavramı, yük sek kerteli denetim problemlerinin zaman bölgesinde çözümüne yeni bir açıdan yaklaşılmasını sağladı. 50 80 yıl kadar önce Poincare ve Liyapunov gibi klasik meka nik çiler tarafından geliştirilen yöntemler geniş uygulama alanları buldu.

Uzay çalışmaları yüksek duyarlık ve hız yanında, roket lerin daha hafif olmasını sağlayacak özel tasarımlar ve enerji tutumluluğu gerektiriyordu. Bu ve buna benzer kaygılar optimal ya da en uygun denetim kuramının ye şermesine yol açtı. Bu nedenle Liyapunov ve Minorski'

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ — 338

nin zaman bölgesi yöntemleri ilgi çekti. Ayrıca ABD'de Bellman ve Sovyetler'de Pontriyagin yeni optimal dene tim kuramları geliştirdiler. Günümüzde enerji harcamala rını ya da hava kirliliğini en aza indirmek ya da verimli liği artırmak gibi kaygılar optimal denetimin endüstriyel üretim sürecinde de dikkate alınmasını gerektirmektedir.

Günümüzde otomatik denetim mühendisi hem sıklık böl gesi hem de durum uzayı formülasyonu yoluyla zaman bölgesi yöntemlerini kullanmak zorundadır, ö t e yandan sürekli zaman yöntemlerinin yanı sıra, belki de daha fazla, kesikli zaman ya da örneklenmiş veri yöntemle rine gereksinme vardır.

Çoğu denetim dizgelerinin dinamik özellikleri çeşitli nedenlerle değişir. Endüstriyel dizgelerde ise bu deği şiklikler daha büyük boyutlarda ortaya çıkar. Her ne kadar geribesleme ufak değişikliklerin etkisini azaltırsa da, değişmelerin büyükçe olması durumunda denetim stratejisinin yenilenmesi, yeni koşullara uyarlanması ya da adapte edilmesi gerekir. Kendini otomatik olarak koşullara uyarlayabilen denetim sistemlerine, uyarlamalı ya da adaptif denetim »istemleri adını veriyoruz. Günü müzde geniş uygulama alanı bulan uyarlamalı denetimin, çevresel koşullarda oluşabilecek değişimlere karşı önlem almanın yanı sıra kimi ufak tefek tasarım hataları ve kimi ufak arızaları da dengeleyerek genel güvenilirliği artırdı ğını da belirtmek gerekir.

Çağımızın karmaşık çok döngülü denetim dizgelerinde karmaşık hesaplama ve değerlendirmeleri yapmak üzere bilgisayar kullanımı yaygın bir uygulamadır. Denetim aygıtı olarak sayısal bilgisayarların kullanıldığı bu tür sistemlere sayısal denetim sistemi adını veriyoruz. Günü müzde bu amaçlarla bilgisayarın dizgenin içine kaynaş tırılmasına, bilgisayarın mikro işlemci ya da sayısal elek tronik yoluyla, denetlenen sistemle doğrudan etkileşim içine sokulmasına çalışılıyor. Bu tür uygulamalara da doğrudan sayısal denetim idıru veriyoruz.

Büyük ve karmaşık bir dizgenin denetim öğelerinde olu şabilecek ufak bir arıza ekonomik açıdan çok büyük olumsuzluklara yok açabilir. Tüm dizgenin daha kararlı çalışması için tasarımlanan bir çok döngülü denetim sistemi, bir döngünün devre dışı kalması ile tümüyle kararsız bir canavara dönüşebilir. Güvenilirliği artırmak açısından her dizge bileşeninin arıza olanağının en aza indirecek biçimde tasarımlanması ve üretilmesi gerekir. Gene de arıza olasılığını tümüyle ortadan kaldırmaya olanak olmadığına göre, arızarın oluşması durumunda da dizgenin denetimden çıkmasına neden olmayacak bir tasarım gereklidir. Bu tür güvenceleri taşıyan denetim yöntemlerine dayanıklı denetim adını veriyoruz.

Artık günümüzde denetim dizgelerinin olabildiğince optimal, olabildiğince uyarlamalı ve olabildiğince daya nıklı olması isteniyor.

Dönem f i4 *

M

Y ıl

1750 1850 ıonn ıyuu

Denetim Kuramı

Denetim Uygulaması

Genel Teknolojik Durum

Haxwell'in çalışması Vişnegradski'nin çalışması Teleskop kont rol dizge si çözüm lemesi

Hız denetimi k i t a bı Türevsel denklemler Routh Hurwitz ölçütü

Watt düzengeci ve gelişmesi

Güç ür e t i m i ve i l e t i m i n e i l i ş k i n düzengeçler

Y el değirmeni Buhar makinası

E l e k t r i k gücü

Süreç ve güç e ndüs t r i s i için düzengeçler

İ l e t i ş i m i ç i n denetim Servo mekanizmalar

I. Dünya Savası Endüstride gelişme

II. Geçiş

ttll|

1950 1960 f •

11 1970

Ziegler Nichols yöntemi

Laplace dönüşümü Sık lık tepkesi yöntemi

Kök yereğrisi Z dönüşümü Durum uzayı Liyapunov kavramı Optimal denetim kuramı

Optimal denetimin a y r ı n t ı l ı çözümlemesi

Soyut matematiksel yöntemler

Silahlar i ç i n denetim Elektronik denetleçler Süreç ve f a b r i k a denetimi

Veri işleme Bilgisayar dest ekli denetim Doğrudan say ısal denetim Dfnamik optimizasyon yönünde gelişmeler Y azılımda gelişmeler Robotlar

I I . Dünya Savaşı Nükleer güç Bilgisayar

Otomasyon Sputnik Biyomedikal ve diğer alanlarda sistem ve denetim kavramı

Ayda i l k insan Mikro işlemciler Enerji krizi