Helmholtz Bobinlerinin Elektromanyetik Alan Simülasyonu ve Optimizasyonu

Abstract

Elektromanyetik (EMF) girişim testleri, biyomedikal deneyler, fizik deneyleri gibi birçok alanda helmholtz bobinleri kullanılmaktadır. Kullanım sebebi ise düzgün elektromanyetik alan üretmeleridir. Bu çalışmanın amacı ve yapılmasındaki sebep, AC akımda EMF üretiminde istenilen değerde sapmalar olmaktadır. Bunu minimum seviyeye çekmektir. Bu çalışmada alternatif akımda, 0-20 mT aralığında çalışan, EMF üretici için helmholtz bobininin EMF hesaplamasında kullanılan formüller Matlab&Simulink programında modellenmiştir. Helmholtz bobininin yarıçapı ise 15 cm olarak tercih edilmiştir. Her bobinin sarım sayısı 16 sipir olarak kabul edilmiştir. Girişe verilen EMF değeri PID(Oransal-İntegral-Türevsel) kontrolör ile kontrolü sağlanmıştır. PID parametrelerini belirlemek için ISSA (Geliştirilmiş Salp Swam Algoritması), PID Tuner ve KKO (Karınca Kolonisi Optimizasyonu) optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Optimizasyon yöntemlerinde kriter olarak ITAE (zaman ağırlıklı mutlak hatanın integrali) kullanılmıştır. Katsayılar belirlendikten sonra hata değişimleri grafiksel ve sayısal değerler olarak verilmiştir. Elde edilen sonuçlara bakıldığında, kesinlik oranının belirlendiği maksimum mutlak hata açısında 14.33941 değeri ile en fazla PID Tuner algoritmasında görülmektedir. Bu değerler ISSA için 2.83468 ve KKO için 3.11548 ‘dir. Minimum mutlak hata açısından bakıldığında ISSA 0.00525, KKO 0.02910 ve PID Tuner 0.00957 değerlerini vermektedir. Bu da teorik olarak doğru sonuçlara en yakın ulaşabilme sırası olarak ISSA, PID Tuner ve KKO olduğu görülmektedir. Ortalama mutlak hata açısından ise ISSA ve KKO algoritmaları birbirine çok yakın sonuçlar vermiştir. Ancak PID Tuner'ın ortalama mutlak hatası 8.33857 değeri ile oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Standart sapma değeri ise sonuçların ne kadar değişken olduğunu belirlemek için standart sapma değerlerine bakıldığında 0.82063 ve 0.91168 değerleri ile ISSA ve KKO algoritmalarının standart sapmaları, 4.20332 değerine sahip PID Tuner'a göre oldukça düşük olduğu görülmektedir. Genel olarak, ISSA ve KKO algoritmaları daha tutarlı ve düşük hata değerleri ile daha iyi bir performans sergilemektedir. PID Tuner ise, ISSA ve KKO algoritmalarına göre daha yüksek hata değerleri ile düşük bir performans göstermektedir. Ancak çalışmanın uygulaması yapılarak verilen ifadelerin gerçek değerleri ile birlikte incelenmesi gerekmektedir. Helmholtz bobinleri kullanılan EMF üreteçlerin kontrolünde KKO ve ISSA algoritmasının kullanılması, üretecin hassasiyetini arttıracağı düşünülmektedir. Aynı zamanda enerji tüketiminin azalacağı kanısına varılmıştır. Farklı sistemlerin PID kontrolörünün katsayıları belirlenirken, ISSA ve KKO kullanılarak sistemde oluşan hataların minimize edilebileceği ve sistemin daha verimli çalışabileceği düşünülmektedir.