İTÜ'de Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği'nin Tarihçesi

İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesi, Kontrol Mühendisliği Lisans Eğitimi'ne, 1982 yılında kurulmuş olan "Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü" bünyesinde verilen mühendislik programı ile başlanmıştır. Ülkemizde Kontrol Mühendisliği eğitimi veren bu tek program, günümüze kadar da otomasyon çağında modern endüstrinin ihtiyacı olan kontrol ve sistem mühendislerini yetiştirmiştir.

Kontrol Mühendisliği'nin gelişimi, Elektrik Fakültesi, Elektriğin Endüstride Tatbikatı Kürsüsü Doçenti Dr. M. Münir Ülgür'ün 1950'li yılların başında vermeye başladığı "Servomekanizma" dersi ile başlayan, 40 yıla yakın bir süreci kapsar. Bu gelişim ile İ.T.Ü. Dünya üniversiteleri arasında, M.I.T.'den sonra programında Servomekanizma dersi bulunan ikinci üniversite olmuştur. Daha sonra otomasyon ile içiçe olan "Lojik Kumanda Devreleri" dersi Prof. Emin Ünalan tarafından verilmeye başlanmıştır.

1957 yılında dünyadaki bilimsel gelişmelere uygun olarak Servomekanizma yerine "Otomatik Kontrol" terimi kullanılmaya başlanmış ve Uluslararası Otomatik Kontrol Federasyonu'na (IFAC) üye olmak üzere Türk Otomatik Kontrol Kurumu (TOK) İ.T.Ü. bünyesinde kurulmuş ve bu kuruluşta konunun gelişimine katkı sağlayan ulusal ve uluslararası sempozyum ve konferans gibi çeşitli etkinlikler düzenlemiştir.

1982 yılında YÖK’ün kurulması ile üniversitelerde kürsüler kaldırılmış yerine anabilim dalları ve bölümler oluşturulmuştur. İ.T.Ü. Elektrik-Elektronik Fakültesi'nde kurulan 3 bölümden biri olan Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü içinde yer almasına karar verilen Kontrol ve Kumanda Sistemleri Anabilim Dalı, Elektriğin Endüstride Tatbikatı Kürsüsü, Elektrikte Ölçme Kürsüsü ve Prof. Dr. M. Kemal Sarıoğlu'nun başkanlığını yaptığı Maçka Elektrik Fakültesi Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü elemanlarının bir kısmının birleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Daha sonra bu Anabilim Dalı, Fakülte içinde yeni yapılanma sürecinde Elektrik Mühendisliği Bölümü'ne bağlanmıştır.

Kontrol Mühendisliği alanında son yıllarda hızla artan kuramsal ve teknolojik gelişmeler bu önemli mühendislik öğretiminin bağımsız bir program çerçevesinde verilmesini zorunlu kılmıştır. Çağdaş ülkelerdeki akademik gelişme ve uygulamalara paralel olarak, Üniversitemiz Elektrik Mühendisliği Bölümü bünyesinde Kontrol Mühendisliği Programı'nı açmış ve 2001-2002 yılında öğrenci almaya başlamıştır.2007-2008 akademik döneminde Yükseköğretim Kurulu tarafından İTÜ Elektrik Elektronik Fakültesinde dördüncü bölüm olarak Kontrol Mühendisliği Bölümü kurulmasına karar verilmiştir.

Otomatik Kontrol Sistemlerinin Tarihçesi

Otomatik kontrol sistemlerinin kuramı geribesleme kavramıyla ilişkilidir. Belirli bir görevi yerine getirme amacı ile birlikte iş gören elemanlar topluluğuna sistem denir. Bir sistemde eğer çıkış büyüklüğü sistemin giriş büyüklüğünü artış ya da azalış yönünde etkiliyorsa geribeslemeli bir sistem elde edilmiş olur (Şekil.1)

Dinamik sistemlerin temelini oluşturan geribesleme kavramının bilincine çok yakın zamanlarda varılmış olmasına rağmen (19. yüzyıl sonu), bu düşüncenin eski çağlardan beri algılandığı ve başarı ile uygulandığı bilinmektedir. Mühendislikte kontrol sistemleri, belirli bir duruma yönlendirme anlamına gelmektedir.
 
 Çağlar boyu bilinçli ya da bilinçsiz gerçeklenmiş olan otomatik kontrol sistemlerini açık çevrimli kontrol sistemlerinden ayırmak için Şekil.1'de görülen geribesleme özelliğinin bir sistemin yapısında bulunup bulunmadığını saptamak gerekir. Yapılmış olan incelemelerden teknik yönden gerçekleştirildiği bilinen ya da belgelerde bilinçli olarak tasarlanmış ve çalışabilirliği denenmiş olan en eski otomatik kontrol düzenleri Hellenizme kadar uzanmaktadır. En eski uygulamalar su saatlerindeki debi kontroluna ilişkindir. İskenderiye'de Ktesibios'un (M.Ö. III. Yüzyıl) geliştirmiş olduğu debi kontrolu modern otomobillerdeki yakıt akışını ayarlayan karbüratörlere benzemektedir (Şekil.2)

Burada amaç saat kabına akan suyun değişimini bir valf şamandıra kombinasyonu ile sabit tutmaktır. Ktesibios'un orijinal eseri kayıp olmasına rağmen kullandığı kontrol düzeninin rekonstrüksiyonu Romalı mimar Vitrivius'un anlatımından elde edilebilmektedir.

Ktesibios'tan bir nesil sonra yaşadığı tahmin edilen Bizantion'lu Filyon (MÖ. III. Yüzyılın ikinci yarısı) Pnömatika adlı eserinde kandillerde yağ seviyesinin ayarına ilişkin örnekler vermektedir. Bu düzenlerde hava sızdırmayan yağ deposuna giren hava miktarı kandil yağı seviyesi h tarafından kontrol edilerek seviyenin aynı kalması sağlanmış olur (Şekil.3). İlginç olan bugün Pnömatika'nın sadece Süleymaniye Kütüphanesi'nde bulunan Arapça çevirilerinden bilinmesidir (Ayasofya 2755 ve 3713). 
Otomatik kontrol tarihi ile ilgili 3. büyük isim M.S. I. Yüzyıl’da yaşadığı bilinen  İskenderiye'li Heron'dur. Heron'un yine Pnömatika adlı eserinde otomatik kontrol düzenlenleri yanında modern anlamda otomatlara da rastlanmaktadır. Tapınaklarda ilgi çekmek, hamamlarda özel ihtiyaçları karşılamak ya da sadece eğlenmek için geliştirilen bu kontrol düzenleri ve otomatlar sonraki yüzyıllarda başka çevrelerin özellikle İslam Bilim Adamları’nın ilgisini üzerine çekmekteydi. Yukarıda verilen prensibe dayanan çok sayıda kontrol düzeni yanında dışarıya sabit bir v hızıyla sıvı akıtan şamandıralı sifon ilginç bir regülatör uygulaması oluşturur (Şekil.4). Şamandıralı sifonun su saatlerinde başarıyla uygulandığı varsayılabilir.

 Hellenizm'de zirveye erişen bilimsel gelişmelerin Bizans saraylarında parıltısı gittikçe azalırken Bağdat'ta Abbasi Halifeleri çevresinde meşalenin tekrar alevlendiği gözlenir. Horasan'lı Musa Bin Şakir'in Oğulları Muhammed Hasan ve Ahmed bilim ve teknoloji tarihinde Benu Musa , "Musaoğulları" olarak bilinir. Benu Musa kardeşler Abbasi Halifesi Memun (M.S. 813-833) ve onu izleyen halifeler zamanında matematiksel bilimlerin gelişmesi yönünde etkin rol oynamış kişilerdi. Kardeşlerden Ahmed'in teknolojiye ilgisi Kitab-el Hiyal adlı bir eserin yazılmasına neden olmuş olmalıdır (M.S. 850). Ülkemizde Topkapı Sarayı III. Ahmed Kütüphanesi'nde bulunan bu eserde (A 3474) sihirli kaplar, fıskiyeler, kandiller, bir dansimetre, bir körük ve bir kaldırma düzeninden sözedilmektedir. Cisim, su ve hava etkisiyle oluşturulan “harika düzenler” ya da “harika otomatlar” bilimine İslam Dünyası’nda “ilm al alat al ruhaniyet” (pnömatik aletler ilmi) ya da kısaca “ilm al hiyal” (harika düzen­ler ilmi) adı verilmektedir. Akfani'nin tanımına göre pnömatik aletler ilmi, boşluğun bulunmaması prensibine dayanan bir takım aletlerin nasıl imal edileceğini konu edinen bir ilimdir. Amaç, ölçülü kaplar, sifonlar ve diğer elemanlardan oluşan bu düzenleri oluştururken zihni eğitmektir.

Benu Musa Kardeşlerin Kitab-el Hiyal adlı eserinde yer alan 100 düzen içinde 18 tane otomatik kontrol düzeni bulunur. İncelendiğinde bunların teknik yönden mükemmel, bugün hala kullanılabilir türden otomatik kontrol sistemleri olduğu görülür. Tüm sistemleri ele alıp incelemek mümkün olmadığından burada sadece kitapta yedinci düzen olarak "içindeki 2 litreye yakın suyu 20'ye yakın küçük baş hayvan içmek istediğinde seviyesi, azalmayıp aynı kalan, ancak bir boğa içtiğinde suyu tükenen bir yalak" başlığı altında verilen sistemi ele alalım (Şekil.5)

Düzene su, huni biçimindeki b musluğundan doldurulur. Su a-b haznesinin içindeki k-s sifonunun üst seviyesine ulaşınca s-c borusundan ve c valfından e-v haznesine geçer, başlangıçta t valfı kapalı olduğundan, seviye bu haznede a-d borusunun d ucu suyla tıkanıncaya, ya da a-b haznesine hava geçişi önleninceye kadar yükselir. Doldurma işlemi tamamlandıktan sonra hava sızdırmayan b musluğu kapatılır.
Şekil.5 Benu Musa'nın "Kitab-el Hiyal" adlı Eserinde Seviye Kontroluna İlişkin Bir Örnek
Düzeni devreye sokmak için hayvanların su içeceği k-t yalağına da bir miktar su dökülür Bu su r-ş borusundan geçerek h-z haznesinin içindeki y şamandırasını kaldırır. Böylece t valfı açılır ve k-t yalağı ile e-v haznesi arasındaki bağlantı kurulmuş olduğundan yalaktaki suyun seviyesi hazne seviyesine kadar yükselir. Öngörüldüğü gibi küçük baş hayvanlar yalaktan su içtikçe hazne ve yalaktaki su seviyesi d-a borusu üzerinden a-b haznesine geçen hava miktarı ile sürekli ayarlanır.

Eger boğa, at gibi bir büyük baş hayvan su içmek için kafasını k-t yalağına sokarsa, hayvanın ağzıyla geriye püskürttüğü su, e-v haznesindeki suyun seviyesini yükseltir. e-v haznesindeki suyun seviyesi n-l sifonunda-l seviyesini aştığı an, haznedeki su n-1-m-k* yolunu izleyerek süratle k*-a* haznesine akmaya başlar. Burada bulunan f şamandırası kalkar ve c valfını tıkar, böylece a-b haznesindeki suyla e-v haznesindeki su seviyesinin ayarlanması bir süre önlenmiş olur. k-t ve e-v haznelerindeki suyun tümü r-v-s seviyesine kadar boşalır ve ayrıca y şamandırası da inmiş olduğundan t*-valfı kapanarak yalakla depo arasındaki ilişki de kesilmiş olur. k*-a* haznesine dökülen depo suyu bu haznenin dibindeki a deliğinden bir süre sonra tamamen dışarıya akar. Boşalma sonunda f şamandırası inince c valfı açılır ve e-v haznesindeki su tekrar ayarlanmaya başlar. Ancak k-t yalağını devreye sokmak için başlangıçta olduğu gibi buraya tekrar dışarıdan biraz su dökerek y şamandırasını kaldırmak ve t valfınin açılmasını sağlamak gerekir.

Düzen şamandıralı valf ve hava kontrol motiflerinin başarıyla uygulandığı ilginç bir örnektir. Kitapta verilen diğer otomatik kontrol düzenlerinde bugün tuvalet sifonlarında kullanılan şamandıralı valflerin ilk örneklerine rastlanır.

Klasik dünyanın eski Mısır'dan aldığı ve geliştirdiği su saatlerinin boyutları Hellenizm'de gittikçe büyüyerek meydan saatleri biçimini almış bulunuyordu. Bu gelenek İslam Dünyası’nda devam etti ve XIII. Yüzyıl’ın başında gerçeklenen güzel eserler ve yazılan ilginç kitaplarla en ileri aşamaya erişildi. Burada konuyla ilgili en geniş eseri vermiş olan Cizreli Eb-ül-iz'i   tanıtalım. Batı Dünyası’nda adı kısaca “el Cezeri” olarak bilinen “Bedi'el-Zaman Abu el-izz Ismail el-Razzaz el-Cezeri”, XIII. Yüzyıl’ın başında Diyarbakır Artuklu Sarayı’nda saray mühendisi olarak çalışmış olan bir mühendis ve bilim adamıdır. Biz bugün el Cezeri'yi su saatleri, otomatik kontrol düzenleri, fıskiyeler, kan toplama kapları, şifreli anahtarlar ve robotlar (Bak ön sayfa) gibi pratik ve estetik bir çok düzeni tasarlayan ve bunların nasıl gerçekleştirileceğini anlatan “Kitab-el Hiyal” adlı kitabın yazarı olarak tanıyoruz. Eb ül-iz'in Sultan Kuth el Din Sökmen II (1185-1200) ve kardeşi Nasir el Din Mahmut (1200-1222) zamanında 25 yıl (1181-1206) Artuklulara hizmet ettiğini ve eserini 1206 yılında tamamladığını kitabının önsözünden öğrenmekteyiz. Bugün İstanbul Topkapı Sarayı III. Ahmed Kütüphanesi'nde bulunan A3472 kayıtlı yazma, özgün eserin bir ikinci el kopyasıdır. Altı kısımdan oluşan eserde 50 farklı düzen anlatılmaktadır.

Eserde ele alınan 11 adet saatin ikisi otomatik debi kontrollu, su saatlerinden oluşur. Bu saatlerde de Ktesibios'un buluşu olan regülatörler kullanılmaktadır. Ancak İslamiyet’te güneşin doğuşu ile batışı arasındaki zamanın 12 eşit parçaya bölünmesi gerektiğinden, düzene regülatörün referans seviyesini mevsimlere göre ayarlayan bir sistem ilave edilmiştir (Şekil.6):


Saatin mekanizmasını bir gün ya da 12 saat boyunca çevirmek için gerekli olan su miktarı silindirik bir su haznesinde bulundurulur. Eğer su 12 saat içinde düzenli bir şekilde boşaltılabilirse haznedeki suyun seviyesi güneşin doğuşu anından itibaren geçen zamanı ya da güneşin batışına kadar kalan zamanı belirtmekte kullanılabilir. Hazne seviyesi bir şamandıraya tutturulmuş olan iple saat kadranına iletilir. Saat kadranını çevirmek için gerekli olan sürtünme kuvveti ipin diğer ucuna bağlanan karşı ağırlıkla sağlanır. Güneş doğduğu an haznenin dibinde bulunan vana açılınca hazne suyu, içinde bir şamandıralı valf (avvam) bulunan, regülatör haznesine (rub) akmaya başlar. Regülatör haznesinin çıkış borusu girişinden daha dar olduğundan hazne suyunun seviyesi yükselir ve şamandıralı valf ya da avvam giriş borusunu tıkamaya başlar. Böylece kısa zamanda giriş ve çıkış debilerinin eşit olduğu sürekli çalışma durumuna geçilir. Ancak hazneden dışarıya akan suyun debisi, regülatör haznesindeki suyun seviyesi, diğer bir deyişle şamandıralı valf ile çıkış borusunun ucu arasındaki seviye farkı ile orantılıdır. Bu nedenle çıkış borusu bir ayar diskinin (dastur) merkezi etrafında serbest çevrilebilecek şekilde oluşturulur. Ayar diskinin üzerinde çıkış borusu ucunun mevsimlere göre bulunması gereken konumlar kayıtlıdır. Günlerin uzun olduğu yaz aylarında suyun yavaş akması için boru ucu diskin üst kısmına, günlerin kısa olduğu kış aylarında ise suyun hızlı akması için alt kısmına çevrilir. Böylece regülatör haznesinin su seviyesi mevsimlere göre ayarlanarak haznedeki suyun boşalma zamanı ayarlanmış olur. Bu ise kontrol sisteminde referans büyüklüğünün değiştirilmesi anlamına gelir (Şekil.7)

Eb-ül-iz örneğinden görüldüğü gibi otomatik kontrol sistemleri ile ilgili bir gelenek yüzyıllar boyunca başarılı bir şekilde uygulanmış ve sürekli geliştirilmiştir. Ancak XIII. Yüzyıl’ın sonunda İslam Dünyası’nda bilimsel gelişmenin duraksadığı ve Moğol istilalarından sonra süratle gerilediği gözlenir. Batı, Haçlı Seferleri ile ilk kez karşılaştığı Doğu Dünyası’ndan pek çok bilimsel ve teknolojik bilgiyi transfer etmiş, rönesansla birlikte arayı hızlı adımlarla kapamaya başlamıştır. Batı’nın Osmanlılar’la olan karşılaşmasında kaydedilen üstünlüğü ağırlığı gittikçe hissedilir olmuştur.
Şekil.7 Cizreli Eb-ül-İz'in "Kıtab al Hiyal" adlı Kitabı'ndan Debi Kontrol Sistemini Anlatan Şekil.Doğu’nun en son özgün mühendis ve bilim adamı Takiyüddin'dir (1521-1585). III. Murad (1564-1595) devrinde 1579'da kurulan Beyoğlu Rasathanesi'nde çalışmış, astronomi başta olmak üzere pek çok konuda eser vermiştir. Bunların içinde mekanik saat konstrüksiyonu ile ilgili olan eser bu konudaki bilginin Batı’dan daha ileri olduğunu kanıtlayan bir belgedir. Rasathane 1583'de padişahın emriyle tahrip edilince, doğu’nun son bilim merkezi de sönmüş oldu.


Şekil.8 Watt'ın Buhar Makinesinde Debi Kontrolu Batı’da otomatik kontrol düzenleri ilkin simya ilmiyle uğraşan çevrelerde gelişti. Altını sentetik olarak imal etmeye çalışan simyacılar ortamın sabit bir ısıda olması gerektiğine inanmaktaydılar. Böylece Drebbel 1610'da ilk otoklavı gerçeklemiş oldu. Yöntem sonraki yüzyıllarda kuluçka makinesine (Reaumur 1750) ve nihayet buhar kazanlarına uygulandı (Henry 1771, Bonnemain 1777). Seviye kontrolu Hellenizm ve İslamiyet'teki parlak geçmişe rağmen 18. Yüzyıl’da adeta tekrar keşfedilerek buhar kazanlarına uygulanmaya başladı (Brindley 1758, Polzunov 1765). Basınç kontrolu 1707 de Papin'in düdüklü tencereye benzer buluşu ile gelişti, Delap (1799), Murray (1799), Boulton ve Watt'in (1820) yöntemleri buhar kazanlarında uygulama alanı buldu (Şekil.8)

Hız kontrolunun ilk uygulamaları İngiltere'de değirmenler üzerinde görülmeye başladı. Mahalli bir teknolojiden esinlenerek geliştirilen yöntem dönen top sarkaçlarından yararlanmaktaydı. Guvernör adı verilen bu elemanın pek çok patentte kullanılmış olduğu görülür (Mead 1787, Hooper 1789). Bu yöntem, sonunda Watt’in Buhar Makinesi’nde ki yerini aldı (1788) ve uzun süre korundu. Guvernörlerin Maxwell (1868) ve Routh (1877) tarafindan matematiksel olarak incelenmesi ise kuramsal kontrol mühendisliğinin temellerini teşkil etti. Sistemlerin kararlılık analizine ilişkin pek çok kavramı bu ilk uygulamacıların yaratıcılıklarına ve kuramcıların buluşlarına borçluyuz. 
 

Otomatik kontrol kuramı ve mühendisliğinin endüstri devriminden sonraki hızlı gelişimi S. Bennett'in çalışmalarından izlenebilir [7,8]. Bugün kontrol mühendisliği, geleceğe yönelik ileri teknolojiler içinde vazgeçilemez önemli bir konuma yerleşmiştir.

---

Kaynaklar: