ARAŞTIRMA

KONTROL SİSTEMLERİ AÇISINDAN TEVHİD HAKİKATI

H. Metin ERTUNÇ
Not: Bu yazı, yazarın I. Uluslararası Bilimler Işığında Yaratılış Kongresine gönderdiği tebliğden faydalanılarak hazırlanmıştır.

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 da olabilir; güneş sistemi ya da ekonomik, ekolojik sistemler de. 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 işte tasarrufu ve müdahalesi ile bugün yer küremiz ilk yaratıldığı ana göre canlılar için yaşanabilir bir duruma getirilmiştir. Yangın, çevre kirliliği, nükleer savaşlar, bilinçsiz avlanma, tabii kaynakları 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. Kapalı çevrim kontrol sistemleri ise Şekil 2’de görüldüğü gibi, sensor (algılayıcı) içeren 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 mekanizması büyük çoğunlukla kapalı-çevrim kontrol sistemleridir [2]. Sensörler vasıtasıyla algılanan değişkenlerin seviyesine ve değerine göre aç-kapa (ON-OFF) ya da oransal-integral-türevsel 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 kullanılmakta olup değişken ayarları, konunun uzmanı mühendis ya da teknik elemanlarca doğru yapıldığı takdirde yüksek performansta ve kararlı çalışmaktadırlar. 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.

Şekil 1. Açık-çevrim kontrol sistemi

Şekil 2. Kapalı-çevrim kontrol sitemi

Kontrol sistemleri, fıtri olarak çalışan tabii kontrol sistemleri, endüstriyel kontrol sistemleri ve hem endüstriyel hem tabii sistemlerin karışımından oluşan melez kontrol sistemleri olarak üç ana başlık altında sınıflandırılabilir [3]. İlk olarak tabii kontrol sistemlerine örnek vermek gerekirse, her şeyi mükemmel manada planlayıp uygulayan Sonsuz Kudret Sahibi Zat, bütün canlıların hayatlarını sürdürebilmeleri için birtakım mekanizmalar yaratmıştır. Mesela, çok üşüdüğümüzde, vücudumuzun titremesi, hayat için gerekli olan vücut sıcaklığına tekrar yükseltebilmek içindir. İlmen sabittir ki, hareketten hararet ortaya çıkar [4]. Ancak bizim titrememiz, bu olayı bildiğimizden dolayı değil, Sonsuz Hikmet Sahibinin vücudumuza yerleştirdiği kontrol mekanizmasını harekete geçirmesinin fıtri sonucudur. Tam tersi durumda, çok sıcak bir ortamda hareket ettiğimizde ortaya çıkan hararetin, vücut organlarına zarar vermemesi için terleme yolu ile dışarı atılması, yine vücut sağlığımız için gerekli olan sıcaklık değerine düşürebilmek için Rabbimiz tarafından tasarlanmış bir kontrol mekanizmasıdır.
Bir başka fıtri/tabii kontrol mekanizmasına örnek ise, kan şekerini düzenlemek ve kontrol etmek maksadıyla insülin hormonu salgılayan pankreas organıdır. Pankreas, hem kan şekerini dengelemek hem de vücut organları için enerji kaynağı olan şekeri hücre içine sokmak için insülin adındaki hormonu belirli miktarda kana verir. Ayrıca, kan şekerinin hayati tehlikeye sebep olacak derecede çok düştüğü durumlarda ise organların zarar görmesini engel olması için glukagon isimli kan şekerini yükseltici bir başka hormon salgılar. 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 zerkederek kan şekerini istenen bir düzeyde tutmasını sağlayan tıbbi kontrol sistemleri geliştirilmiştir. Gelişmiş bir teknoloji ve kontrol mekanizması tasarımı ile gerçekleştirilen bu cihazların kendi kendine ortaya çıkması, tüm bu kontrol sistemlerinin çalışma esaslarını bilmeyen bir güç tarafından yapılması mümkün değildir. Sadece bu örnek bile yaradılıştaki 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. Mesela çok basit olarak bazı kas hastalıkları sonucu göz kapaklarının dahi kontrolü elden çıkarsa uyanık kalmak mümkün olmaz ve birçok faaliyetler icra edilemez.

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 ileri seviyede teknikler geliştirilmekte ve yeni uygulama alanları açılmaktadır.

Son olarak, insanlar tarafından kontrol edilen endüstriyel sistemler de bulunmaktadır. 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. Burada 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.
İnsan beyni, yaklaşık 1.5 kilogram bir ağırlıkta olmasına rağmen, 90 milyar sinir hücresi (nöron) ile çok karmaşık bir sistem olup hayatımızı yönlendirmede ve kontrol etmede çok önemli bir görev yerine getirmektedir. Aslında insan beyni vücudumuzda sinir sistemini kontrol ederek, hayat için gerekli bütün fonksiyonlarımızı yerine getirmemizi sağlar. Öyle ki, isteğimiz dışında yaptığımız kalp atışı, soluk alıp verme ve sindirim gibi işlemler dahi otonom sinir yolu ile bir şekilde şuurunda olmadığımız halde beyin tarafından yönetilir. Beyindeki sinir hücreleri arasında sonsuz sayıda sinaptik birleşme adı verilen sinirsel bağlar kurulmaktadır. Sinir hücreleri arasında sinir uyarılarını ileten aksonlar 160.000 kilometre uzunluğunda olup arka arkaya eklendiğinde dünyanın etrafında dört tur atabilirler. Yine beynimizde gerçekleştirdiğimiz 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 beynimizde 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 hücrelerine ve bağlantıları ile açıklanamayacağı gibi bu muhteşem organın yaradılışını başka sebeplerle dayandırmaya çalışmak da aklen, ilmen mümkün değildir [5].

Beyinin en önemli fonksiyonlarından biri düşünmektir. İnsan düşünce sistemi taklit edilerek geliştirilen yapay sinir ağları (artificial neural netwoks) ve bulanık mantık (fuzzy logic) tabanlı matematiksel algoritmalar, kontrol sistem tasarımlarında kullanılmaya başlanmıştır. Kesin olmayan dilsel (linguistic) bilgilere bağlı olarak kararlar almak insan düşünüşünün en belirgin özelliklerindendir. Bu tarza benzetilerek geliştirilen bulanık mantık yaklaşımı L.A. Zadeh tarafından 1960’yı 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 matematiksel modele 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 matematiksel olarak modellenmesi, gerçek zamanda kontrolü gerçekleştirebilmek için de gelişmiş bir kontrol algoritmasının kullanılması gerekir. Bu işlemlerin gerçek zamanda yapılabilmesi için sensörler aracılığı çubuk açısının hatasız algılanması ve karmaşık ve doğrusalsızlık özelliği yüksek olan matematiksel denklemlerin çözümü için hızlı bilgisayarlar ile gelişmiş kontrol algoritmaları çalıştırılmalıdır. Oysaki, 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 matematiksel denklem ve formüllerle ifade edebilecek problemleri kavramsal bir yaklaşımla çözebilmektedir. İnsan düşünce yapısının işleyişini taklit ederek geliştirilen bulanık mantık tabanlı kontrol algoritmaları da birçok alanda başarıyla çalıştırılarak ilahi sanatın mükemmelliğine bir ayna olmuştur.

Sonuç olarak, kontrol mühendisliği disiplinlerarası 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 işlem, ancak tüm sistemin çalışma prensiplerini bilen, sistem çıkışının istenen referans girişini takip edebilmesi için kontrol algoritmalarını kullanan, sistemin otomatik ya da adaptif olarak çalışması için dahi gereken düzenlemeleri yapan ve kontrol edilmek istenen sistemle aynı cinsten olmayan bir mühendise, daha genel anlamda bir tasarımcıya ihtiyaç vardır. Bu bağlamda, 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. Mutlaka bütün mevcudat üzerinde tasarruf eden, kudret eliyle bütün sebepler ve fizik kanunları üzerinde yarattıklarını başıboş bırakmayıp devamlı kontrol ederek onları terbiye eden ve hikmetle iş gören Yaratıcıyı göstermektedir.

Referanslar:
[1] 30. Lem’anın ikinci nüktesi, Said Nursi, RNK.
[2] Modern Control Engineering, K. Ogata, Prentice Hall
[3] Otomatik Kontrol, İ.Yüksel, Uludağ Üniversitesi yayınları
[4] 32.Söz, 1. Mevkıf, Said Nursi, RNK
[5] H.M. Ertunç, Zafer dergisi, 2015 Temmuz.
[6] Neuro-Fuzzy and Soft Computing: A Computational Approach to Learning and Machine Intelligence, J.S.R. Jang, C.T. Sun, E. Mizutani, Prentice Hall, 1996

Popüler İçerikler

To Top