KONTROL MÜHENDİSLİĞİ AÇISINDAN YARATILIŞ GERÇEĞİ

Prof. Dr. H. Metin ERTUNÇ
Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli
[email protected]

Herhangi bir sistemin istenen bir girişe göre çıktısının ayarlanması işlemine kontrol denir. Bu sistemler, bir canlının vücudundaki mekanizmalar olabileceği gibi, endüstriyel maksatlı bir araya getirilmiş makine parçaları, elektrikle ilgili devreler, güneş sistemi, eğitim sistemi ya da ekonomik ve siyasî sistemler de olabilir. Kontrol mekanizması açık sistemler grubu içine girmektedir.

Aslında kâinatta gözümüzle gördüğümüz ya da ilmimizle varlığını bildiğimiz tüm sistemlerin, yaratılış amacına uygun çalışması; parçası olduğu daha büyük sistemlerle denge içinde faaliyetine devam edebilmesi için mutlak surette kontrol edilmesi gerekir. Yoksa kendisinden istenen neticeleri almak mümkün olmaz. Çünkü kontrol edilmeyen bir güç, genelde yıkıcı ve zarar verici etkiler doğurur, düzenli ve kararlı çalışmaya engel olur.

Bu bağlamda kontrol mühendisliği açısından yaklaşıldığında bütün kâinatın, dünyanın ve canlıların yaratılışında daima bir kontrol işleminin geçerli olduğunu düşünebiliriz. Çünkü Rabbimizin her işteki tasarrufu ve müdahalesiyle yer küremiz ilk yaratıldığı ana göre canlılar için yaşanabilir bir duruma getirilmiştir. Yangın, çevre kirliliği, nükleer savaşlar, bilinçsiz avlanma, tabiî kaynakların bilinçsizce tüketilmesi gibi insanlığın bulaşık eli karışmamak şartıyla hiçbir tabii sistemde bir aksaklık, nezafetsizlik ve çirkinlik görülmemektedir[1].

Günlük hayatımızın birçok alanında, çağdaş uygarlık ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, kontrol sistemleri ya da otomatik kontrol sistemleri ile karşılaşmak mümkündür. Genel anlamda kontrol sistemleri, Şekil 1’de görüleceği üzere, açık-çevrim ve kapalı-çevrim olmak üzere iki sınıfa ayrılabilirler. Her iki kontrol tipi arasındaki temel fark, geri besleme mekanizmasının bulunup bulunmamasıdır.

Açık-çevrimde kontrol işlemi çıkıştan bağımsızdır ve aynen otomatik çamaşır makinelerinde ve trafik ışıklarında olduğu gibi sistem girişi bir program şeklinde verilir ve sistem bir program sırasını takip eder. Ancak çamaşırların ne kadar temizlendiği veya ışıkların yanma süresine göre trafik akışının iyileşip iyileşmediği bağlamında, çıkış ile istenen referans girişi arasında bir karşılaştırma yoktur.

Şekil 1. Açık-çevrim kontrol sistemi

Kapalı çevrim kontrol sistemleri ise Şekil 2’de görüldüğü gibi, sensor (algılayıcı) ihtiva eden bir geri besleme elemanı ile algılanan sistem çıkışı, istenen değerle karşılaştırılıp elde edilen hata (error) sinyali (istenen sistem çıkışı ile ölçülen sistem çıkışı arasındaki farkı) minimize edecek kontrol elemanın tasarlanması esasına dayanır.

Endüstriyel anlamda gelişmiş kontrol sistemlerinde, canlı varlıklarda ve ekolojik dengenin hassasiyetle korunması gereken tabiatta geçerli olan kontrol mekanizmaları, büyük çoğunlukla kapalı-çevrim kontrol sistemleridir[2].

Sensörler vasıtasıyla algılanan değişkenlerin seviyesine ve değerine göre aç-kapa (ON-OFF) ya da orantılı-yekpare-türevli kontrol (Proportional-Integral-Derivative, PID) gibi farklı kontrol algoritmaları kullanılarak kontrolör ayarları yapılır ve sistem arzu edilen performansta çalıştırılır. Sözü edilen kontrol algoritmaları endüstride sıklıkla kullanılır.

Şekil 2. Kapalı-çevrim kontrol sitemi.

Değişken ayarları, konunun uzmanı mühendis ya da teknik elemanlarca doğru yapıldığı takdirde yüksek performansta ve kararlı çalışırlar. Eğer parametre ayarları, sözgelimi PID kontrol algoritmasındaki katsayılar, yanlış yapılırsa istenen çıkış değerine ulaşılamamakta, hatta bazen çıkış değerleri çok büyük değerlere çıkıp kararsızlığa yol açabilmektedirler. Diğer bir ifadeyle, usta eli değmediği takdirde kontrol sistemleri kendilerinden istenen sonucu veremezler. Bu husus, endüstriyel kontrol sistemleri için geçerli olduğu gibi tabiattaki bütün sistemlerde ve canlılarda da aynen geçerlidir.

Kontrol Sistemlerinin Sınıflandırılması

Kontrol sistemleri, fıtri olarak çalışan tabii kontrol sistemleri, endüstriyel kontrol sistemleri ve hem endüstriyel hem tabiî sistemlerin karışımından müteşekkil melez kontrol sistemleri olmak üzere üç ana başlık altında sınıflandırılabilir[3].

İlk olarak tabiî kontrol sistemlerine örnek vermek gerekirse, her şeyi mükemmel manada planlayıp uygulayan sonsuz kudret sahibi Allah, bütün canlıların hayatlarını sağlıklı sürdürebilmeleri için onların vücudunda bir takım mekanizmalar yaratmıştır. Meselâ, çok üşünüldüğünde, vücudun titremesi, hayat için gerekli olan vücut sıcaklığına tekrar yükseltilebilmesi içindir. İlmen sabittir ki, hareketten hararet ortaya çıkar[4].

Ancak canlıların soğuktan titremesi, sözü edilen ilmi kaideyi bildikleri için değil, Sonsuz Hikmet Sahibinin canlıların vücuduna yerleştirdiği kontrol mekanizmasını harekete geçirmesinin fıtri sonucundan dolayıdır. Tam tersi durumda, çok sıcak bir ortamda hareket edildiğinde ortaya çıkan hararetin, vücut organlarına zarar vermemesi için terleme yolu ile dışarı atılması, yine vücut sağlığı için gerekli olan sıcaklık değerine düşürebilmek için, bütün mahlûkatı yoktan var edip yaşamaları için her türlü rızkı ve hayat şartlarını hazırlayan Rabbimiz tarafından tasarlanmış bir kontrol mekanizmasıdır.

Bir başka fıtri/tabiî kontrol mekanizmasına örnek ise, kan şekerini düzenlemek ve kontrol etmek maksadıyla insülin hormonu salgılayan pankreas organıdır. Pankreas vasıtasıyla, hem kan şekerini dengelemek hem de vücut organları için enerji kaynağı olan şekeri, hücre içine sokmak için insülin adındaki hormon belirli miktarlarda kana verilir. Ayrıca, kan şekerinin hayati tehlikeye sebep olacak derecede çok düştüğü durumlarda ise organların zarar görmemesi için pankreas tarafından glukagon isimli kan şekerini yükseltici bir başka hormon salgılanır. Pankreas insülini hiç salgılayamazsa ya da kontrolsüz ve düzensiz bir salgılama olursa, bu durumda kanda şeker miktarı yükselir, hücreler gerekli besini alamaz ve böylece şeker, yani diyabet hastalığı ortaya çıkar. Kan şekerinin belli sınırlar dışına çıkması hayati tehlikelere yol açtığından dolayı, şeker hastaları için belirli zaman aralıklarıyla kana insülin zerk ederek, kan şekerini istenen bir düzeyde tutmasını sağlayan tıbbi kontrol sistemleri geliştirilmiştir.

İleri düzeyde bir mühendislik bilgisi, gelişmiş bir teknoloji ve kontrol mekanizması tasarımı ile gerçekleştirilen bu tıbbi cihazların kendi kendine ortaya çıkması, tüm bu kontrol sistemlerinin çalışma esaslarını bilmeyen bir güç tarafından yapılması mümkün değildir. En temel seviyede aklını kullanabilen ve düşünen insanlar için, insan sağlığına bu kadar faydalı sistemlerin mutlaka canlı vücudunda insülin hormonunun ne işe yaradığını bilen ve belirli zaman periyotları ile bu işlemi kontrollü yapabilecek sistemin tasarımı hakkında bilgisi ve iktidarı olan bir mühendis tarafından tasarlandığı, herkesce rahatlıkla anlaşılabilecek müşahhas bir örnektir. Sadece bu örnek bile yaratılıştaki mükemmel intizamı ve hikmeti göstermektedir.

Yine bir bebeğin yürümeyi öğrenmesi, dışarıdan bakıldığında son derece basit ve eğlenceli gibi görünürken, aslında son derece kompleks bir kontrol mekanizması sayesinde olmaktadır. Bebek onlarca, yüzlerce kez denedikten sonra iskelet sistemini ve kaslarını kontrol etmeyi öğrenecek; sonunda ise dengeli yürümeyi başaracaktır. İskelet ve kas sistemlerinin doğru kontrol edilmesiyle, canlılar hayati fonksiyonlarını yerine getirebilmektedirler. Meselâ çok basit olarak bazı kas hastalıkları sonucu göz kapaklarının dahi kontrolü elden çıkarsa uyanık kalmak mümkün olmaz ve birçok faaliyetler icra edilemez. Dolayısıyla, insan vücudunda sensör vazifesi gören beş duyu organı vasıtasıyla alınan verilerin işlenerek, kas ve sinir sisteminin kontrol edilmesiyle gerçekleştirilen faaliyetler vasıtasıyla sağlıklı ve fonksiyonel bir hayat sürdürmek mümkün olmaktadır. Yarattığı her şeyde ince bir nizam ve intizam gözeten Allah’ın kudretinin ve sanatının tecellileri adına sözü edilen örnekler ve kontrol mekanizmaları çok manalar ifade etmektedir.

İkinci olarak, endüstriyel kapsamdaki otomatik kontrol sistemlerine ise; su ısıtıcılarında kaynama noktasına erişildiğinde otomatik olarak enerjiyi kesen mekanizmalar, kalorifer sıcaklığını belli düzeyde tutan vanalar, hareket algıladığında ışıkları açıp kapatan elektronik devreler, çizgi izleyen robotlar, güdümlü mermiler gibi çok sayıda örnek verilebilir. Bu tür kontrol sistemlerinin en basiti ve belki de en eskisi, kapalı bir kapta belli bir seviyeye kadar suyun dolmasına izin veren ve sonra istenen seviyeye gelince su akışını kesen şamandıralı sistemlerdir.

En karmaşık ve ileri teknoloji uygulaması olarak göze çarpan otomatik pilot sistemleri ile bir uçağın indirilmesi ya da kaldırılması, bir uzay mekiğinin binlerce kilometre uzaktan yönlendirilmesi, otomatik kontrol teorisi kapsamında mühendislerin çalıştıkları hayli zor konulardır. Bu konu ile ilgili her geçen gün ileri seviyede teknikler geliştirilmekte ve yeni uygulama alanları açılmaktadır.

Son olarak, kontrol sistemlerinin sınıflandırılmasında, insanlar tarafından kontrol edilen endüstriyel sistemler yer almaktadır. Bu tür sistemlere, bir arabanın emniyetli bir şekilde sürülmesi örnek olarak verilebilir. Burada kontrolör olarak görev yapan insan beyni, yol durumuna göre gaz ya da fren pedalına hangi kuvvetle basacağını ayarlamaktadır. Bunun için öncelikle sensör olarak görev yapan gözler vasıtasıyla, yolu ve hız göstergesini gözlemlemektedir. Sonra sürüş emniyeti ve istenen hız değerine göre beyin, sinir sistemi aracılığı ile ayak kaslarına emir göndermekte; gaz ya da fren pedalına yapılan baskı kuvveti ile arabanın mekanik aktarım organları ve yakıt deposundan motor valflerine aktarılan yakıt miktarı kontrol edilerek sürüş gerçekleştirilmektedir. Bu örnekte görüldüğü gibi insan beyni, yol durumunu gözlemleyip gerekli tepkileri verebilen mükemmel bir kontrolör olarak çalışmaktadır. Her ne kadar kendi kendine otomatik olarak park edebilen araçlar, hız sabitleyici sistemler yapıldıysa da, şehir trafiğinde kendisi gidebilecek otomatik kontrol sistemlerine sahip araçlar hala yapılamamıştır. Bu noktada insanlık kat ettiği bunca teknolojik gelişmelere rağmen, en büyük sebeplerden biri olarak görülen Rabbimizin mükemmel sanat eseri insan beyni ile yarışamamaktadır.

Kontrol Sistemi Açısından İnsan Beyni

İnsan beyni, yaklaşık 1.5 kilogram bir ağırlıkta olmasına rağmen, 90 milyar sinir hücresi (nöron) ile çok karmaşık bir sistem olup şuurlu olarak bir insanın hayatını yönlendirmede ve kontrol edilmesinde çok önemli bir görev yerine getirmektedir. Aslında insan beyni, vücudun sinir sistemini kontrol ederek, hayat için gerekli fonksiyonları icra etmek üzere programlanmıştır. Öyle ki, irade dışında yapılan kalp atışı, soluk alıp verme ve sindirim gibi işlemler dahi otonom sinir yolu ile bir şekilde şuurunda olmadığımız halde beyin vasıtasıyla yönetilir. Beyindeki sinir hücreleri arasında sonsuz sayıda sinaptik birleşme adı verilen sinir bağları kurulmaktadır. Sinir hücreleri arasında sinir uyarılarını ileten aksonlar 160.000 kilometre uzunluğunda olup, arka arkaya eklendiğinde dünyanın etrafında dört tur atabilirler. Yine beyin vasıtasıyla gerçekleştirilen düşünce işlemi için sinir hücreleri (nöronlar) arasında hızı saatte 1.6 kilometre ile 432 kilometre arasında değişen hızlarda düşüncelerimiz seyahat etmektedir. Massachusetts Institute of Technology tarafından yapılan bir araştırmaya göre, karmaşık görüntülerin işlenmesi beyinde sadece 13 milisaniye sürmektedir ki, bu hıza en gelişmiş bilgisayarlar dahi hala ulaşamamaktadır. İnsan tabanlı ya da manuel (el ile) kontrol işlemlerindeki kontrolör olarak görev yapan beynin mükemmel faaliyetlerini, sadece sinir hücreleri ve bağlantıları ile açıklanamayacağı gibi, bu muhteşem organın yaratılışını başka sebeplere dayandırmaya çalışmak da aklen, ilmen mümkün değildir[5].

Verilen örneklerde görüldüğü gibi, beynin en önemli fonksiyonlarından biri düşünmektir. Son yıllarda insan düşünce sistemi taklit edilerek geliştirilen yapay sinir ağları (artificial neural netwoks) ve bulanık mantık (fuzzy logic) tabanlı matematiğe dayalı algoritmalar, kontrol sistem tasarımlarında kullanılmaya başlanmıştır. Kesin olmayan dil bilgilerine bağlı olarak kararlar almak, insan düşünüşünün en göze çarpan özelliklerindendir. Bu tarza benzetilerek geliştirilen bulanık mantık yaklaşımı, L.A. Zadeh tarafından 1960’lı yıllarda ortaya atılmıştır. Zadeh, insanların bazı sistemleri makinelerden daha iyi kontrol edebilmelerinin sebebini, kesin değerlerle ifade edilemeyen belirsiz bilgileri kullanarak karar verebilme özelliğine bağlamıştır. Bu özelliği esas alarak belirsiz değerleri bir bulanık kümeye üyelik dereceleri ile atayan ve matematik modelle ihtiyaç duymadan kural tabanlı bir yöntem olarak geliştirilen bulanık mantık kontrol; çamaşır makineleri, asansörler, otomatik fokuslu makineler gibi endüstriyel sistemlerde ve karmaşık problemlerin çözümünde son yıllarda kullanışlı bir araç haline gelmiştir[6].

Bulanık mantığın daha iyi anlaşılması için literatürde ters pendulum olarak da bilinen bir çubuğu dik olarak dengede tutmayı hedefleyen kontrol problemi örnek olarak verilir. Gözler vasıtasıyla çubuğun denge konumundan ne kadar saptığını algılanıp çubuğu tutan el sağa ya da sola az, orta ya da çok hızlı hareket ettirerek çubuğun düşmesini engelleyip havada dik durması sağlanabilir. Endüstriyel kapsamda bu işlemi gerçekleştirmek için sistemin dinamik denklemlerinin çıkarılarak matematik olarak modellenmesi, gerçek zamanda kontrolü gerçekleştirebilmek için de gelişmiş bir kontrol algoritmasının kullanılması gerekir. Bu işlemlerin gerçek zamanda yapılabilmesi için sensörler aracılığı ile çubuk açısının hatasız algılanması ve karmaşık ve doğruluk özelliği yüksek olan matematik denklemlerinin çözümü için hızlı bilgisayarlar ile gelişmiş kontrol algoritmaları kullanılmaktadır.

Çubuğu el ile havada dik tutma işlemini okuma yazma bilmeyen ve hayatında hiç denklem çözmemiş bir insan dahi kolaylıkla yapabilmektedir. Çünkü insan beyni, çok ağır matematik denklemi ve formüllerle ifade edebilecek problemleri kavrama dayalı bir yaklaşımla çözebilmektedir. İnsan düşünce yapısının işleyişini taklit ederek geliştirilen bulanık mantık tabanlı kontrol algoritmaları da birçok alanda başarıyla çalıştırılarak ilâhî sanatın mükemmelliğine bir ayna olmuştur.

Sonuç

Kontrol mühendisliği, disiplinler arası bir konu olarak pek çok mühendislik alanında uygulaması bulunmaktadır. Esasen sistem tanımının geniş kapsamında endüstriyel sistemlerden, biyolojik, ekonomik ve ekolojik sistemlere kadar her sistemin istendiği gibi çalışması ve var oluşundan arzu edilen neticeyi verebilmesi için mutlaka kontrol edilmesi, belli düzeneklerle kontrol ayarlarının yapılarak sistemin çalışma performansının düzeltilmesi gerekir. Bu işlemde, ancak tüm sistemin çalışma prensiplerini bilen, sistem çıkışının istenen referans girişini takip edebilmesi için kontrol algoritmalarını kullanan bir mühendise ihtiyaç vardır. O mühendis ayrıca sistemin otomatik ya da adaptif olarak çalışması için dahi gereken düzenlemeleri yapan ve kontrol edebilen birisi olmalıdır.

En muhteşem kontrol sistem örneklerini müşahede ettiğimiz canlıların kendi kendine mevcut durumlarına gelmesi, aklı ve şuuru olmayan kanun ve sebeplerle hayatlarını idame için fonksiyonlarını mükemmel bir intizam içinde yerine getirmesi mümkün olamaz.

Demek ki, kâinattaki varlıkların son derece sistemli ve dengeli bir hayata sahip olmaları, bütün mevcudat üzerinde tasarruf eden, kudretiyle bütün sebepler ve fizik kanunları üzerinde yarattıklarını başıboş bırakmayıp devamlı kontrol ederek onları terbiye eden ve hikmetle iş gören bir Yaratıcı’yı göstermektedir.

[1] Nursi, Bediüzzaman, S. Lem’alar. Envar Neşriyat, İstanbul, 1996, s.309.
[2] Ogata, K. Modern Control Engineering. Prentice Hall. 1997.
[3] Yüksel, İ. Otomatik Kontrol, Uludağ Üniversitesi Yayınları, 1997.
[4] Nursi, Bediüzzaman, S. Sözler. Türkiye Diyanet Vakfı Yayını-600, 3.baskı, Ankara, 2016, s. 739.
[5] Ertunç, H. M. Zafer Dergisi, 2015 Temmuz.
[6] Jang, J.S.R. Sun, C.T. Mizutani, E. Neuro-Fuzzy and Soft Computing: A Computational Approach to Learning and Machine Intelligence. Prentice Hall, 1996.