5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS09), 13-15 Mays 2009, Karabk, Trkiye

BULANIK MANTIK LE GNE ENERJS UYGULAMASI

APPLICATION OF SOLAR ENERGY WITH FUZZY LOGIC

Cokun ODABAa, * hsan PEHLVANb Doan Murat CNALca, * Sakarya Endstri Meslek Lisesi, Sakarya, Trkiye, E-posta: coskunodabas@hotmail.com

b Sakarya niversitesi, Mh. Fak., Elektrik Elektronik Mh. Bl., Sakarya, Trkiye, E-posta: ipehlivan@sakarya.edu.tr c Sakarya Endstri Meslek Lisesi, Sakarya, Trkiye, E-posta: dmcinal@hotmail.com

zet Bu bildiride, gne enerjisini elektrik enerjisine evirmek iin kullanlan gne panelinin daha verimli alabilmesi iin gerekletirilen bir sistem uygulamas tantlmtr. Gnein deiik alarnda panelleri konumlandrarak verimin artrlmas amalanmtr. Sistem ierisinde kontrol amac ile PID denetleyiciler kullanlmtr. Sistemin karar mekanizmas iin ise bulank mantk seilmitir. Bulank mantk teknolojisi zellikle kontrol alannda elektronik sistemlerin uzman kii kararyla almasna olanak salar. Sistem giriindeki ayr sensr, panel konumlandrma bilgisini kontrol kart zerindeki mikrodenetleyiciye gnderir. Bylece adm motorlar yardm ile, gne enerjisini elektrik enerjisine eviren gne panelinin konumlandrlmas salanr. Anahtar Kelimeler: Bulank mantk, Mikrodenetleyici, Adm motorlar, Gne panelleri, PIC16F877 Abstract In this paper, one system application is introduced, which is realized to increase the efficiency of solar panels that converting the solar energy to the electrical energy. Positioning the solar panel to various position is aimed at the different angles of sun. PID controllers are used to intention of controlling, in the system. Also, fuzzy logic is choosen for decision mechanism of the system. Fuzzy Logic technology enables the electronic systems working with decision of the expert persons. Three different sensors at the input of system are transmit the panel positioning datas to the microcontroller that exist on the control card. Thus, the solar panel which converting the solar energy to the electrical energy, is positioned by using the step motors. Keywords: Fuzzy Logic, Micro controller, Step Motors, Solar Panels, PIC16F877 1. Giri Gnmzn gelien teknolojileri artk geleneksel elektronik denetim biimlerinden yeteri kadar verim alamamaktadr. Gn getike ortaya kan daha hassas birimler ve kanlmaz olan enerjiden tasarruf salama zorunluluu bilim adamlarn bu ynde aratrmalar yapmaya itmitir. Gitgide mkemmele yaknlama istei ve doann belki de bir gn aynsnn yapay yollarla ortaya karlmaya allmas Yapay Zeka (Artificial Intelligence - AI), Yapay Sinir Alar (Neural Networks), ok deerli Mantk (Multivalued Logic) ve bunlarla birlikte Bulank Mantn (Fuzzy Logic) ortaya karlmasna neden olmutur.[1-7]

Bulank mantk her gn kullandmz ve davranlarmz yorumladmz yapya ulamamz salayan matematiksel bir disiplindir. Temelini doru ve yanl deerlerin belirlendii Bulank Kme Kuram (Fuzzy Set Theory) oluturur. Burada yine geleneksel mantkta olduu gibi (1) ve (0) deerleri vardr. Ancak bulank mantk yalnzca bu deerlerle yetinmeyip bunlarn ara deerlerini de kullanarak; rnein bir uzakln yalnzca yakn ya da uzak olduunu belirtmekle kalmayp ne kadar yakn ya da ne kadar uzak olduunu da syler.

Bu mantk elektrikli ev aletlerinden oto elektroniine, gndelik kullandmz i makinelerinden retim mhendisliine, endstriyel teknolojilerden otomasyona kadar aklmza gelebilecek her yerde kendisine uygulama alan bulabilir.[2]

2. Bulank Mantk Kontrolclerin Genel Yaps Bulank mantk, endstriyel sreleri denetlerken kesin ve tam saysal kurallardan ziyade dilsel kurallar iine alr. Bulank mantk kontrolcleri, klasik ve modern kontrol teorisinde olduu gibi kesin ve tam matematik modellere ihtiya duymaz. ou sistemde benzer model lmleri belirtmek olduka zordur. Denetlemesi zor olan karmak srelerde (imento ocaklar, elik frnlar, p ileme fabrikalar gibi), bulank mantk denetimini kullanmak zorunlu hale gelmektedir.[3-4] Bulank mantk kontrolcleriyle daha az bir abayla daha fazla i yaplabilmektedir. Deneyimler etkin bir ekilde kullanlarak fiziksel bir sistemin kontrol, aadaki drt unsur dikkate alnarak yaplmaktadr.

1- Mikrodenetleyicilerle karm ilemcisini kademeli (cascade) balayp beraber altrmak, 2- Yazlm kontrolcs kullanmak, 3- Bilgisayar tabanl uygulamalarda ise; kural taban, veri taban, bulandrc, karm motoru ve berraklatrc olarak yazlm kullanmak ve paralel iletiimle kontrol sistemini tasarlamak, 4- inde RAM, EPROM, I/O birimlerinin yan sra bulandrc, karm motoru ve durulatc blmlerinin de bulunduu tm devre eklinde bulank ilemciler kullanarak fiziksel sistemlerin kontroln salamak mmkn olacaktr.[4-6] Bulank mantk kontrolclerin dayand temel nokta; uzman bir sistem operatrnn bilgi deneyim sezgi ve kontrol stratejisini, kontrolc tasarmnda bilgi taban

IATS09, Karabk niversitesi, Karabk, Trkiye

Odaba, C., Pehlivan, . ve Cinal,D.

olarak oluturmaktadr. Kontrol ilemleri bilgi ve deneyime dayanan szel kurallarla gerekletirilir. rnein bir uzman, sistem iin gerekli olan kontrol davranlarn kk, hzl, yava gibi szel terimlerle tanmlarsa, EER-YLEYSE (IF-THEN) komutlaryla oluturulacak kurallarda szel terimler kullanlarak elde edilecektir. ekil 1 de bir bulank mantk kontrolcnn i yaps grlmektedir. Bu kontrolc, genel olarak drt ana ksmdan oluur. 1- Bulanklatrma nitesi (Fuzzifier): Bu blm giri deikenlerini ler, onlar zerinde bir lek deiiklii yaprak bulank kmelere dntrr. Yani onlara bir etiket vererek, dilsel bir lek deiiklii yaparak bulank mantk kmelerine dntrr.

2- karm motoru (Inference engine): Bu nite, kurallar bulank mantk kurallarn uygulayarak bulank klar verir. Burada insann dn eklinin benzetimi yaplmaya allmtr. 3- Veri taban (Data Base): karm motoru, kural tabannda kullanlan bulank kmeleri bu blmden alr. 4- Kural taban (Rule Base): Kontrol amalarna uygun dilsel denetim kurallar buradan bulunur ve karm motoruna verilir. 5- Durulama nitesi (Defuzzifier): karm motorunun bulank kme zerinde yapm olduu lek deiikliklerini, saysal deerler dntrr.[3-6]

Veri Kural taban taban

Bulanklatrc karm motoru Durulayc Bulank deer Bulank deer Saysal deer

ekil 1. Bulank mantk kontrolcsnn blok diyagram.

3. Sistem Tasarm Sistemimizin birincil amac gne nlarndan mmkn olduunca en fazla istifade etmektir. Panelimiz gne nlarn ne kadar iyi alrsa sistem performans o kadar artacaktr. Buradaki ama devrede kullandmz adet k sensoru ile gnein bulunduu yeri tespit edip gne panellerini tam olarak olmas gereken konuma getirilmesidir. Sistemimizde bulank mantk teorisine gre her bir sensrn deeri dikkate alnp karlan sonularda tm sensrlerin etkisi bulunmaktadr. Klasik mantkta ise sensrler tek tek kontrol edilip istenilen sonucun elde edildii sensrden sonraki sensrlere dikkat edilmeden paneller ilgili ka gre konumlandrlmaktadr. Sistemde bulunan paralar; adet k sensrnden oluan veri toplama ksm, enerji retimi iin gne paneli, gne panelini konumlandrmak iin step motor, sistemin bulank mantk denetimi iin PIC 16F877 kontrol kart, sistemin durum bilgisinin alnmas iin LCD gstergedir. Bu donamn paralarnn yan sra mikrodenetleyicimizde gml olan ve sistemin almasn salayan programmz da mevcuttur. Programmzn algoritma mant; 1. Sensrlerden gelen bilgiye gre her bir sensrn

yelik dereceleri ve deerleri belirlenir. 2. Belirlenen yelik deerleri veri tabannn ilgili ayrlan

blmne kaydedilir (Bu deerler sensrlerden gelen bilgiye gre deiken deerlerdir.)

3. Konum bilgileri ve deerleri veri tabannda ayrlan yere kaydedilir. Bu deerler her durumda sabit olan deerlerdir.

4. Her bir kural iin hazrlanan program blmlerine geilir. Bu blmler kurallarda belirtilen artlar ierir.

5. Her bir kural blmnde tespit edilen minimum sensr deeri ile konum sabiti arplp kural sonu deeri olarak ilgili bellek alanna kaydedilir.

6. Tm kurallar tamamlandnda bulunan kural sonu deerleri ve kural minimum deerleri ayr ayr toplanarak, bu toplam deerleri ilgili bellek alanna kaydedilir.

Bulunan toplam kural sonu deeri toplam kural minimum deerine blnerek elde edilen deere gre ilgili k portu aktif hale getirilir.

IIK SENSR

KONTROL KARTI MOTORLAR

GNE PANEL

LCD

ekil 2. Sistemin blok emas

Odaba, C., Pehlivan, . ve Cinal,D.

ekil 3. Program ak diyagram

Sistemdeki k sensr gnein hareketini takip etmek iin kullanlmtr. Gnein hareket ekseni dou-bat ekseni olarak alnp bu eksen 45 derecelik 4 blme ve 5 ayr hareket noktasna blnmtr. Panellerin konumu, sensrlerin denetim sistemine gnderdii bilgiye gre belirlenen hareket blgelerine sabitlenir.

ekil 4. Sensrlere gre konum bilgileri.

4. Bulank Mantn Sisteme Uygulan: 4.1 Bulanklatrma arabirimi Sensrlerimiz zerine den gerilim 0-5V aralnda deerlendirilmektedir. Sensrlerdeki bilgiler PIC

Sensrlerden bilgiyi al.

Analog bilgiyi dijitale dntrr.

yelik deerlerini hesapla.

Kural tablosunu uygula.

lgili k aktif yap.

Panelleri konumlandr.

Tablo 1. Kural Tablosu

denetleyicinin ADC girilerine gnderilerek 8 bitlik dijital bilgiye dntrlmektedir. Bunun sonucunda 0-5Vluk gerilim aral 8 bitlik arala denk gelen 00H-FFH aralna yaylmtr. Bulanklatrma arabiriminde nemli noktalardan biri de sensr hassasiyet erileridir. Bu erilerin durumlarna gre yelik fonksiyonlarnn ve yelik deerlerinin tespiti yaplmaktadr. Hassasiyet erilerinin snr deerleri ortam koullarna ve programcnn sistemden beklentisine gre deiebilmektedir. Bu uygulama da yelik snr deerleri 0V-1,5V aral dk deer, 1,5V-3,5V aral normal deer ve 1,5V-5V aral ise yksek deer olarak belirlenmitir. Bu deerler kullanlan sensrler ile gerek ortamda yaplan deneyler ve lmler sonucunda belirlenmi ve uygulamaya konulmu deerlerdir. Sistemimizin yelik fonksiyon erisi ekil 5te grld gibidir.

N GR DEKENLER IKILAR1 S1 dk S2 dk S3 dk Konum0 2 S1 dk S2 dk S3 normal Konum4 3 S1 dk S2 dk S3 yksek Konum4 4 S1 dk S2 normal S3 dk Konum2 5 S1 dk S2 normal S3 normal Konum2 6 S1 dk S2 normal S3 yksek Konum4 7 S1 dk S2 yksek S3 dk Konum2 8 S1 dk S2 yksek S3 normal Konum2 9 S1 dk S2 yksek S3 yksek Konum3

10 S1 normal S2 dk S3 dk Konum1 11 S1 normal S2 dk S3 normal Konum0 12 S1 normal S2 dk S3 yksek Konum0 13 S1 normal S2 normal S3 dk Konum2 14 S1 normal S2 normal S3 normal Konum2 15 S1 normal S2 normal S3 yksek Konum3 16 S1 normal S2 yksek S3 dk Konum2 17 S1 normal S2 yksek S3 normal Konum2 18 S1 normal S2 yksek S3 yksek Konum2 19 S1 yksek S2 dk S3 dk Konum1 20 S1 yksek S2 dk S3 normal Konum0 21 S1 yksek S2 dk S3 yksek Konum0 22 S1 yksek S2 normal S3 dk Konum1 23 S1 yksek S2 normal S3 normal Konum1 24 S1 yksek S2 normal S3 yksek Konum0 25 S1 yksek S2 yksek S3 dk Konum2 26 S1 yksek S2 yksek S3 normal Konum2 27 S1 yksek S2 yksek S3 yksek Konum0

Odaba, C., Pehlivan, . ve Cinal,D.

ekil 5. yelik fonksiyon erileri

Yukardaki ekilde sistemimizdeki sensrlerin zerlerine den gerilime gre aldklar yelik deerlerinin snrlar grlmektedir. Her bir sensr iin DK, NORMAL ve YKSEK yelik fonksiyonlar;

Sdk = (1)

>

>>>

=

VSVVVSVSVVVSVVSV

VS

5,25,1)5,15,2/()5,2(15,35,2)5,25,3/()5,3(5,35,10

5,21

ile gsterilir.

Yukardaki yelik formlleri tamam ile analog deerler zerinde deerlendirilerek oluturulmutur. Bu yelik fonksiyonlarn yukarda tarif edildii ekilde saysal deerlere evrilerek yeniden hazrlarsak 1,5Vun hexadecimal karl 4CHye, 2,5Vun hexadecimal karl 80Hye ve 3,5Vun hexadecimal karl da C3Hye denk gelmektedir. Bu yeni deerlere gre yelik deer fonksiyonlarn yeniden dzenlersek;

Sdk=

>

>>>

=

iinhSChChhShiinhCShhhCShCiinhCChveSSiinhS

804)480/()80(1380)803/()3(

340801

(6)

eklinde gsterilir. Uygulamamza bir rnek daha verirsek, sistemimizde sensr birbirlerine 450lik alarla konumlandrlmlardr. Her bir sensrn bulunduu a ayn zamanda gne panellerinin konumlandrlma noktalarna denk gelmektedir. Bunlarn haricinde ayrca 00 ve 1800de de olmak zere toplam 5 adet konum noktamz bulunmaktadr. imdi sensrmzde srasyla 4V, 2,9V ve 1,7V olduunu varsayalm. Sensrlerden gelen bu analog bilgiler ilk olarak ADC devresi ile dijital hale dntrlrler. Bu durumda 1.sensrmzdeki 4V iin ADCmizin knda 8 bitlik (11001101)2 yada (CD)16 bilgisi; ikinci sensrmzdeki 2,9V iin (10010101)2 ya da (95)16 bilgisi ve son olarak nc sensrmzdeki 1,7V iin (01010111)2 ya da (57)16 bilgisi bulunur. ADCmizden alnan bu deerler mikro denetleyicimizin A portu kullanlarak yazlmzda belirtilen S1, S2, S3 deikenlerinin deerleri olarak atanrlar ve bulanklatrma hesaplamalarna dahil edilirler. Analog dijital evrim ileminin tamamlanmasndan sonra sra her bir sensrn yelik fonksiyonlarnn hesaplanmasna gelmektedir. Sistemimizdeki k sensrlerinin DK, NORMAK ve YKSEK olmak zere ayr hassasiyet deeri bulunmaktadr. Bu noktadan itibaren sensrlerin yelik deerleri; S1_1 : 1. sensrn dk yelik deeri S1_2 : 1. sensrn normal yelik deeri S1_3 : 1. sensrn yksek yelik deeri S2_1 : 2. sensrn dk yelik deeri S2_2 : 2. sensrn normal yelik deeri S2_3 : 2. sensrn yksek yelik deeri S3_1 : 3. sensrn dk yelik deeri S3_2 : 3. sensrn normal yelik deeri S3_3 : 3. sensrn yksek yelik deeri imdi tm sensrlerimiz iin yelik deerlerini hesaplayalm. 1. sensrmzdeki deer S1 = 4V olduu iin bu sensrmzdeki yelik deerleri; S1_1 = 0, S1_2 = 0, S1_3 = 1 olarak hesaplanr. 2. sensrmzdeki deer S2 = 2,9V olduu iin bu sensrmzdeki yelik deeri; S2_1 = 0 S2_2 = 0,34375 S2_3 = 0,65625 olarak hesaplanr. 3. sensrmzdeki deer S1 = 4V olduu iin bu sensrmzdeki yelik deerleri;

Odaba, C., Pehlivan, . ve Cinal,D.

S3_1 = 1, S3_2 = 0, S3_3 = 0 olarak hesaplanr. Verilerin toplanmas ve bulanklatrma ilemlerinin tamamlanmasndan sonra bulanklatrma arabiriminin ilevi tamamlanm olur. 4.2. Bilgi Taban Temel olarak uygulama sahasna ait uzman bilgisini ve kontrol hedeflerini ierir. Bilgi taban ve kural taban olarak iki ksmdan oluur. Dilsel deikenler ve giriler arasndaki iliki, karm ileminin klar ve ortama gnderilecek klar arasndaki ilikiye benzerdir. karm ileminin k bulank kmeler olabilir, ayn zamanda k terimleri veya teklikler olarak da adlandrlrlar. Bir kez giri ve klar ayarlanr ve dilsel deikenlerin terimleri belirlenir, denetim grevi bir dizi kural olarak kaydedilir. Gerekletirdiimiz sistemde kural taban uygulamas yapldnda toplam 27 adet kural olumutur. Sistemimizin kural tablosu aada Tablo1de gsterilmitir. Bu kurallarn bazlar geersiz durumlar salamaktadr. stee bal olarak geersiz kurallar hesaplamada gz nne alnmayabilir. Ancak sistemimizde geersiz konumlar, sensrlerin bozulmas olarak alglanp panellerin ilk konuma getirilmesi ve sistemin yle kalmasnn salanmas iin hesaplamaya katlmtr. 4.3. Sonu karm Mekanizmas ve Durulatrma Bulank mantk denetim biriminin en nemli blmdr. Giri deikenlerinin kurallar tablosuna uygulanp gereken hesaplamalarn yapld ve uygun k deerinin hesapland blmdr. Bu arabirimde hesaplama olarak birok eit yntem kullanlmaktadr. Bu projede ise Gerek deer ak karm yntemi kullanlmaktadr. Bu yntemde kurallarn teklik klar ve ilgili kurak yelikleri kullanlr. Aadaki tabloda sistemimizin girdileri iin k deerleri grlmektedir. Kural tabannn her 27 kural da deerlendirilir. Kurallar VE ilemi ile birletirildiinden, bir kuraln yelik derecesi nceki admda hesaplanm olan yeliklerin minimumu olur. Arlk merkezi durulatrma yntemi bulank bir kmenin arlk merkezini hesaplar. Gerek deer ak karm (TVFI) yntemi kullanldnda ise, tekliklerin kmesi bulank bir kme gibi grnebilir ve o zaman arlk merkezi;

FiSiFi

(4)

formlnden hesaplanr.

ekil 6. Sistem devre emas 5.Sonular Gnmzn en popler teknolojilerinden olan Bulank Mantk, kullanclara sistem hassasiyeti ve eitlemesi asndan birok seenek sunmaktadr. Her bir seenein kendi ierisinde avantajlar ve dezavantajlar sz konusudur. Uygulama devresi adet bilgi toplama sensr ile gerekletirilmitir. Ayn zamanda her bir sensr, yelik fonksiyonlar hesaplanrken hassasiyetli olarak deerlendirilmitir. Sistemde ayrca bir kontrol kart, panellerin hareketi iin step motor, siste bilgisinin alnmas iin LCD ekran ve enerjinin depolanmas iin ak bulunmaktadr. Sistem donanm ve hassasiyeti tamamen kullancnn sistemden bekledii performansa baldr. stendii gibi deitirilebilir. Ancak bu durum bir proje iin nemli olan maliyet, karklk ve zorluk gibi etkenle de deitirecektir. Kaynaklar [1] Mizumoto, M., Fukami, S. and Tanaka, K. (1979).

Some methods of fuzzy reasoning, LQ Gupta, Ragade and Yager (eds), Advances in Fuzzy Set Theory ApplicationsNorth-Holland, New York

[2] Peri, V.M. and Simon, D. Fuzzy Logic Control for an autonomous robot, Fuzzy Information Processing Society, 337- 342, 2005.

[3] Takagi, T. And Sugeno, M., Fuzzy indentification of systems and its applications to modelling and control, IEEE Trans. Syst. Man&Cybern., Vol. SMS-15, No. 1, 116-332, 1985

[4] Yager, R.R., Zadeh L. A., Fuzzy logic controllers, An introduction to Fuzzy logic application in intelligent systems, 69-89, 1992

[5] Mamdani, E. H. (1977). Application of fuzzy logic to approximate reasoning using linguistic synthesis, ,IEEE Transactions and computer C-26 (12) : 11821191.

[6] Jantzen, J. (1995). Array approach to fuzzy logic, Fuzzy Sets and Systems 70: 359370.

ekil 1. Bulank mantk kontrolcsnn blok diyagram. 5.Sonular