1. INTRODUCTION TO CONTROL SYSTEMS
Course Objectives
1. Model common control system components.
2. Select an appropriate control algorithm of PID type or one of its variations.
3. Analyze the performance of a control algorithm using transfer functions, block diagrams, and computer methods, in light of given performance specifications.
4. Using MATLAB and Simulink to analyze and simulate control systems
A control system consists of subsystems and plants for the purpose of obtaining a desired output with desired performance, given a specified input.
A major aplication of the methods of system dynamics is the design of control systems.
Konforlu bir yaşam için binaların sıcaklık ve nem kontrolünü ayarlamamız gerekir. Burada amaçlar önemlidir. İnsanlar için sıcaklık bitkiler için sıcaklık, ışık, ve nem kontrolü gereklidir.

2. Open-loop control sytems Closed-loop control sytems
Basic Components of a Control System
Objectives of control (Inputs)
Control system components (Controller, plant, actuator, sensor,…)
Results (Outputs)
Robot : Sensors (Optical image, displacement, speed,force, torque, pressure voltage, current). Actuators (AC motors, DC motors, step motors, hydroulic actuators)
Automobile : Sensors (Displacement,speed,force,pressure,temperature, fluid flow, fluid level voltage, current). Actuators (DC motors, step motors, pumps, heat sources)
Home Heating System : Sensors (Temperature, pressure, fluid flow). Actuators (Motors, pumps, heat sources)
Bir kontrol sistemi verilen bir girdiye karşılık istenen çıktıyı (hedef) istenen performans ile elde etmek için birleştirilen alt sistemlerden ve proseslerden (plant) oluşur. Amaçlar girdileri, sonuçlar ise kontrol edilen değişkenleri etkiler.
Kontrol sistemi, tamamlayıcı olarak bir kontrolörü içeren bir dinamik sistemdir. Bir kontrolörün görevi kontrol edilecek prosesi istenen şekilde kumanda edecek (sürecek) kontrol sinyallerini üretmektir. Sensörler, aktüatörler, kontrolörler, sinyal değiştiriciler bir kontrol sisteminin temel bileşenleridir.
Kontrol aksiyonlarını gerçekleştirmek için aktüatörler gereklidir. Çıktı sinyallerini ölçmek ve izlemek için sensörler gereklidir. Bir kontrol sistemi içinde çok farklı tip ve seviyede sinyaller bulunduğu için, sinyal işleme ve koşullandırma kontrol sisteminin çok önemli fonksiyonlarından biridir.
Kontrol mühendisleri kontrol sistemi için özellikle (sensörleri ve aktüatörleri) bu bileşenleri tanıyabilmelidir ve belirli spesifikasyonlara göre seçebilmelidir. Bireysel olarak bu bileşenleri ve tüm sistemi modelleyebilmeli ve analiz edebilmelidir.
Control systems
Open-loop
control sytems
Closed-loop
control sytems

3. Control (Actuation) Signal
Open Loop Control Systems:
Actuator
Controller
Plant v u
Input
Output
Sensitive to changing in parameters and disturbance.
Closed Loop Control Systems: (Feedback Systems)
Reference
Output
Plant u
Controller
Actuator
Sensor
Error +
Disturbance -
Control (Actuation) Signal
Sensing signal
Kapalı sistem: sisteme özgü davranış sağlanmıyor ise, örneğin;
Cevap çok ağır olabilir.
Cevap kararsız olabilir.
Sistem dış etkilere maruz kalabilir.
Sistem içindeki bileşenlerin zamanla değerleri (cevabın değişimine neden olan) değişebilir.
Error signal= Reference – Sensing signal

4. Examples of Control System Applications
Idle-speed control
Washing machine
Step motors
Heater
Bu örneklerin çalışma esası bu sistemlere dayanır. Örneğin çamaşır makinasında tüm programlar Açık sistem olarak belirli zaman aralığında ve belirli devir sayısında çalışır. Ç.M. dinamiği yüke karşı çok duyarlıdır. Aşırı yükte parametreleri düzenleyemediği için performans düşer ve arızalar meydana gelir. Benzer, Kirliliği ölçerek (böyle bir sensör yok) parametreleri değiştiremez.
Kapalı kontrol; sistem cevabını izleme, cevabı istenen değer ile karşılaştırma, istenen cevap doğrultusunda sistemi kumanda edecek şekilde bir sistem girdisi oluşturma gibi unsurları kapsar.
Robots
Home heating system
Cruise control

5. Home Heating Control System
: Reference temp.
Controller
(Thermostat)
Temperature Sensor
: Measured temp.
: Disturbance
Control signal
(heat transfer: door,
window, wall, etc.)
Fuel flow
Heater
Valve
Error
Status
Control action
Cold
Open valve
Hot
Close valve
Konforlu yaşam için sıcaklık kontrolü önemlidir. Kontrol hedefi için ölçülen sıcaklık değeri ayarlanmış referans değer ile sürekli karşılatırılır. Kontrol eylemi kontrolör hatasına dayanır. Ortam sıcaklığı ayarlanan referans değerden büyük (soğuk) ise kontrol eylemi “yakıt valfini aç”, ortam sıcaklığı ayarlanan referans değerden küçük (sıcak) kontrol eylemi “yakıt valfini kapat” yönünde olur. + +
Controlller
(Thermostat)
Valve +
Plant
Temp. Sensor -

6. Motor and Powertrain system
Cruise Control System
Usage in 1990’s
Driver comfort
Save fuel
Bu sistem 1990 lı yıllarda araçlarda kullanılmaya başlamıştır. Sistemde kontrolör bir bilgisayardır. Kontrolöre debriyaj, fren, gaz ve direksiyon veya çevresindeki düğmelere bağlı sensörlerden sinyaller gelir. Hız sabitlendiğinde yakıt valfi motora sabit miktarda yakıt gönderir. D, F veya G a basıldığında devreden hız sabitleyici devreden çıkar. Önündeki mesafeyi de dikkate alan sistemler mevcuttur. Uzun yolculuklarda sürücü konforu ile birlikte % 15 yakıt tasarrufu sağlamaktadır.
Road conditions
Error signal
Fuel flow
Vehicle speed
Measured speed signal
Control signal
Reference + +
Actuator(Valf) +
Motor and Powertrain system
Speed Sensor
Controller
Speed -

7. a) Mathematical model (Cruise Control System) :
Fp: Pushing force (from engine)
Fd: Distrubance (wind, gravity, enviromental factors, etc.)
b) Closed loop control:

8. Control Aplications with Industrial Robots
Inverted pendulum control
Ball grabber