วิศวกรรมระบบควบคุม
การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบระบบควบคุม
ปัจจุบันนี้วิศวกรระบบควบคุมและนักออกแบบจะใช้วิธีการออกแบบ โดยใช้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลซึ่ง
จะช่วย ในงาน การออกแบบเป็นอย่างมาก โดยใช้การเขียนโปรแกรมและการใช้โปรแกรมสำเร็จรูป
เช่น Matlab, LabView และ CAD/CAM เป็นต้น
โดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เหล่านี้จะสามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ออกแบบและจำลองสถานการณ์
การควบคุม ได้ภายในโปรแกรมเดียวอันซึ่งส่งผลให้ ผู้ออกแบบสามารถจำลองระบบได้เร็วขึ้นรวมทั้งง่าย
ต่อ การปรับปรุงเปลี่ยนแปลง และทดสอบเพื่อหาประสิทธิภาพของตัวควบคุมที่ดีที่สุด ดังเช่น
• สามารถลดค่าความไวต่อพารามิเตอร์ภายในระบบที่เปลี่ยนแปลง (ParameterVariation)
• ลดผลที่เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เป็นเชิงเส้นของระบบ (Model Uncertainty)
• ลดค่าความผิดเพี้ยน (Distortion)
• ปรับให้ระบบไม่มีการแกว่งไกวรวมถึงอิทธิพลอื่นๆ ที่เกิดขึ้นภายในระบบ
จะช่วย ในงาน การออกแบบเป็นอย่างมาก โดยใช้การเขียนโปรแกรมและการใช้โปรแกรมสำเร็จรูป
เช่น Matlab, LabView และ CAD/CAM เป็นต้น
โดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เหล่านี้จะสามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ออกแบบและจำลองสถานการณ์
การควบคุม ได้ภายในโปรแกรมเดียวอันซึ่งส่งผลให้ ผู้ออกแบบสามารถจำลองระบบได้เร็วขึ้นรวมทั้งง่าย
ต่อ การปรับปรุงเปลี่ยนแปลง และทดสอบเพื่อหาประสิทธิภาพของตัวควบคุมที่ดีที่สุด ดังเช่น
• สามารถลดค่าความไวต่อพารามิเตอร์ภายในระบบที่เปลี่ยนแปลง (ParameterVariation)
• ลดผลที่เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เป็นเชิงเส้นของระบบ (Model Uncertainty)
• ลดค่าความผิดเพี้ยน (Distortion)
• ปรับให้ระบบไม่มีการแกว่งไกวรวมถึงอิทธิพลอื่นๆ ที่เกิดขึ้นภายในระบบ
สุดท้ายจากการทดสอบการทำงานของตัวควบคุมจะทำให้ได้แบบจำลองของระบบควบคุมที่ มีความถูกต้อง
แม่นยำ และเหมาะสมกับกระบวนการที่สุดโดยสามารถนำไปใช้งานจริงในทาง ปฏิบัติได้ รวมถึงการได้มาซึ่ง
ผลการควบคุมที่มีประสิทธิภาพ
แม่นยำ และเหมาะสมกับกระบวนการที่สุดโดยสามารถนำไปใช้งานจริงในทาง ปฏิบัติได้ รวมถึงการได้มาซึ่ง
ผลการควบคุมที่มีประสิทธิภาพ
รูปที่ 1 การใช้คอมพิวเตอร์เพื่อช่วยในการออกแบบระบบควบคุม
ตัวอย่าง ของระบบการควบคุม (Control System Case Studies)
1. ระบบควบคุมความเร็ว (Speed Control System)
โดยการใช้หลักการพื้นฐานของ Watt's Speed Governor สำหรับเครื่องจักรกังหันไอน้ำ แสดงได้ดังรูปที่ 2 ซึ่งปริมาณเชื้อเพลิงที่จ่ายให้กับเครื่องยนต์จะถูกปรับตามความแตกต่างระหว่าง อัตราเร็วที่ต้องการกับอัตราเร็ว ที่วัดได้ในระบบขั้นตอนการทำงานจะเป็นดังนี้คือ ตัวควบคุมความเร็ว (Speed Governor) จะใช้ปรับความเร็ว ตามที่ต้องการ
ในภาวะที่ไม่มีแรงดันน้ำมันไหลเข้าไปทางด้านตัวจ่ายกำลังรูปทรงกระบอก(Power Cylinder) จะทำให้
้ตัวควบคุม จริง (Actual Governor) ลดต่ำลงกว่าวาล์วที่ต้องการเนื่องจากสิ่งรบกวนภายนอกเข้ามาในระบบซึ่ง
เป็นการลดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ (Centrifugal Force) ของตัวควบคุมความเร็ว เพราะค่าที่ควบคุมเคลื่อนที่ลงทำให้ต้องจ่ายเชื้อเพลิงมากขึ้นเพื่อที่จะทำให้อัตราเร็วของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น
จนกระทั่ง ถึงค่าที่ต้องการ แต่ถ้ามีการเพิ่ม แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ ของตัวควบคุมเพิ่มขึ้นจะต้องลด การจ่าย เชื้อเพลิง
เพื่อที่จะทำให้อัตราเร็ว ของเครื่องยนต์ จะลดลงจนกระทั่งได้ค่าที่ต้องการ
้ตัวควบคุม จริง (Actual Governor) ลดต่ำลงกว่าวาล์วที่ต้องการเนื่องจากสิ่งรบกวนภายนอกเข้ามาในระบบซึ่ง
เป็นการลดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ (Centrifugal Force) ของตัวควบคุมความเร็ว เพราะค่าที่ควบคุมเคลื่อนที่ลงทำให้ต้องจ่ายเชื้อเพลิงมากขึ้นเพื่อที่จะทำให้อัตราเร็วของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น
จนกระทั่ง ถึงค่าที่ต้องการ แต่ถ้ามีการเพิ่ม แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ ของตัวควบคุมเพิ่มขึ้นจะต้องลด การจ่าย เชื้อเพลิง
เพื่อที่จะทำให้อัตราเร็ว ของเครื่องยนต์ จะลดลงจนกระทั่งได้ค่าที่ต้องการ
รูปที่ 2 ระบบควบคุมความเร็วเครื่องจักรกังหันไอน้ำ
2. ระบบควบคุมหุ่นยนต์ (Robot Control System)
หุ่นยนต์อุตสาหกรรม (Industrial Robot) มักจะนิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ เพื่อพัฒนาระบบกระบวน
การผลิต ในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ุ่นยนต์อุตสาหกรรมนั้นจะต้องมีบางส่วนของเครื่องจักรที่มีขนาดเล็ก และ
น้ำหนัก ที่เหมาะสมในทางปฏิบัติดังนั้นส่วนประกอบอย่างน้อยที่สุดที่หุ่นยนต์ต้องมี คือ แขน ข้อมือ และ มือที่ต้อง
มีีกำลัง มากพอ ที่จะสามารถทำงานหนักและเคลื่อนที่ได้ภายในบริเวณที่จำกัดในปัจจุบันหุ่นยนต์บางตัวสามารถ
เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ด้วยตัวเองภายในบริเวณพื้นที่จำกัดภายในโรงงาน อุตสาหกรรม สถานีสำรวจใต้น้ำ และ
สถานีสำรวจอวกาศ โดยภายในตัวหุ่นยนต์นั้นต้องมีอุปกรณ์ตรวจรู้และขยายหลายตัวโดยที่หุ่นยนต ์ธรรมดา
จะมีการติดตั้งไมโครสวิทช์ ์ไว้ที่ แขนตรวจสอบวัตถุเมื่อหุ่นยนต์แตะกับวัตถุผ่านไมโครสวิทซ์ซึ่งเป็นการยืนยันว่า
วัตถุยังคงอยู่และพร้อมที่ จะไปทำงาน ในกระบวนการต่อไป
การผลิต ในโรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ุ่นยนต์อุตสาหกรรมนั้นจะต้องมีบางส่วนของเครื่องจักรที่มีขนาดเล็ก และ
น้ำหนัก ที่เหมาะสมในทางปฏิบัติดังนั้นส่วนประกอบอย่างน้อยที่สุดที่หุ่นยนต์ต้องมี คือ แขน ข้อมือ และ มือที่ต้อง
มีีกำลัง มากพอ ที่จะสามารถทำงานหนักและเคลื่อนที่ได้ภายในบริเวณที่จำกัดในปัจจุบันหุ่นยนต์บางตัวสามารถ
เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ด้วยตัวเองภายในบริเวณพื้นที่จำกัดภายในโรงงาน อุตสาหกรรม สถานีสำรวจใต้น้ำ และ
สถานีสำรวจอวกาศ โดยภายในตัวหุ่นยนต์นั้นต้องมีอุปกรณ์ตรวจรู้และขยายหลายตัวโดยที่หุ่นยนต ์ธรรมดา
จะมีการติดตั้งไมโครสวิทช์ ์ไว้ที่ แขนตรวจสอบวัตถุเมื่อหุ่นยนต์แตะกับวัตถุผ่านไมโครสวิทซ์ซึ่งเป็นการยืนยันว่า
วัตถุยังคงอยู่และพร้อมที่ จะไปทำงาน ในกระบวนการต่อไป
รูปที่ 3 การควบคุมหุ่นยนต์โดยใช้กระบวนการรู้จำ
3. ระบบควบคุมอุณหภูมิ (Temperature Control System)
ในรูปที่ 4 จะแสดงบล็อกไดอะแกรมของการควบคุมอุณหภูมิของตู้อบไฟฟ้า โดยอุณหภูมิในตู้อบจะวัดได้ โดยใช้เทอร์โมมิเตอร์ซึ่งเป็นสัญญาณอนาล็อก(Analog Signal)ผ่านชุดขยายสัญญาณ(Amplifier) และจะต้อง
แปลงสัญญาณนี้ให้เป็นสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal) โดยใช้เครื่องมือเปลี่ยนสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล
(A/D Converter) ค่าอุณหภูมิที่เป็นสัญญาณดิจิตอลจะถูกป้อนให้กับ ตัวควบคุม หรือ คอมพิวเตอร์ผ่าน
การอินเทอร์เฟส (Interfacing) แล ะทำการเปรียบเทียบกับค่าอุณหภูมิที่เป็นโปรแกรมอินพุทซึ่งคอมพิวเตอร์
จะทำหน้าที่ี่ควบคุมและสั่งการทำงานทั้งหมด จากนั้นตัวควบคุมจะส่งสัญญาณควบคุมหรือค่าความคลาดเคลื่อน
ไปยังตัวกำเนิดความร้อน (Heater) ผ่านการอินเทอร์เฟส ชุดขยายสัญญาณและรีเลย์ (Relay)จากนั้นนำค่า
อุณหภูม ิที่ได ้ไปควบคุมตู้อบไฟฟ้าเพื่อให้ได้อุณหภูมิตามที่ต้องการ การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิโดยส่วน ใหญ ค่อนข้างจะยุ่งยากเพราะจะต้องคำนึงถึงองค์ประกอบโดยรวม การเลือกอุปกรณ์ควบคุมที่มีคุณภาพ และ สิ่งรบกวนจากภายนอกที่อาจจะทำให้การควบคุมไม่เป็นไปตามต้องการได้
แปลงสัญญาณนี้ให้เป็นสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal) โดยใช้เครื่องมือเปลี่ยนสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล
(A/D Converter) ค่าอุณหภูมิที่เป็นสัญญาณดิจิตอลจะถูกป้อนให้กับ ตัวควบคุม หรือ คอมพิวเตอร์ผ่าน
การอินเทอร์เฟส (Interfacing) แล ะทำการเปรียบเทียบกับค่าอุณหภูมิที่เป็นโปรแกรมอินพุทซึ่งคอมพิวเตอร์
จะทำหน้าที่ี่ควบคุมและสั่งการทำงานทั้งหมด จากนั้นตัวควบคุมจะส่งสัญญาณควบคุมหรือค่าความคลาดเคลื่อน
ไปยังตัวกำเนิดความร้อน (Heater) ผ่านการอินเทอร์เฟส ชุดขยายสัญญาณและรีเลย์ (Relay)จากนั้นนำค่า
อุณหภูม ิที่ได ้ไปควบคุมตู้อบไฟฟ้าเพื่อให้ได้อุณหภูมิตามที่ต้องการ การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิโดยส่วน ใหญ ค่อนข้างจะยุ่งยากเพราะจะต้องคำนึงถึงองค์ประกอบโดยรวม การเลือกอุปกรณ์ควบคุมที่มีคุณภาพ และ สิ่งรบกวนจากภายนอกที่อาจจะทำให้การควบคุมไม่เป็นไปตามต้องการได้
รูปที่ 4 ระบบควบคุมอุณหภูมิโดยใช้คอมพิวเตอร์
4. ระบบควบคุมเครื่องบิน (Aircraft Control System)
หลักการควบคุมพื้นฐานของเครื่องบินจะมีองค์ประกอบของการควบคุมที่ประกอบด้วยพารามิเตอร์ 3 อย่าง ดังนี้
1) การควบคุมหางเสือให้หันไปหัน (Yawing) มาตามแนวแกน Z
2) การควบคุมปีกเอียงให้กลิ้งไปกลิ้งมา (Rolling) ตามแนวแกน X
3) การควบคุมใบต่อแพนหางให้อยู่ในที่มั่น (Pitch) ตามแนวแกนY
นอกจากนี้ยังมีระบบควบคุมการขึ้นลง (Take Off) และลงสู่พื้น (Landing) ี่ใช้กลไกคอมพิวเตอร์ที่ถูกควบคุมด้วย
ผู้ขับขี่ี่ที่ติดต่อกับสถานีภาคพื้นดินด้วยสัญญาณวิทยุ และสิ่งที่สำคัญของการควบคุมก็คือการสร้างจุดสมดุลย์ของ
เครื่องในขณะอยู่บนอากาศดังนั้นระบบการควบคุมการบินจะต้องใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยประกอบกับการออกแบบ
โครงสร้างของเครื่องบินให้ถูกต้องตามหลักการแอโรไดนามิกส์ (Aerodynamic) เพื่อให้ระบบนี้มีเสถียรภาพ และ
คงทนต่อการรบกวนจากสิ่งรบกวนภายนอก
ผู้ขับขี่ี่ที่ติดต่อกับสถานีภาคพื้นดินด้วยสัญญาณวิทยุ และสิ่งที่สำคัญของการควบคุมก็คือการสร้างจุดสมดุลย์ของ
เครื่องในขณะอยู่บนอากาศดังนั้นระบบการควบคุมการบินจะต้องใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัยประกอบกับการออกแบบ
โครงสร้างของเครื่องบินให้ถูกต้องตามหลักการแอโรไดนามิกส์ (Aerodynamic) เพื่อให้ระบบนี้มีเสถียรภาพ และ
คงทนต่อการรบกวนจากสิ่งรบกวนภายนอก
รูปที่ 5 การทำงานของระบบควบคุมการบินของเครื่องบิน
5. การลดรูปบล็อกไดอะแกรม (Reduction of Complication Block Diagram)
การลดรูปบล็อกไดอะแกรมที่อยู่ในรูปหลายอินพุทและหลายเอาท์พุทให้เหลือเพียงบล็อกเดียวจะช่วยให้
การวิเคราะห์ระบบง่ายขึ้น บล็อกไดอะแกรมที่ต่อเรียงกันแบบอนุกรมหลายๆบล็อกสามารถยุบให้เหลือเพียง
บล็อกเดียวได้โดยง่ายและฟังก์ชันถ่ายโอนของบล็อกที่ถูกยุบให้เหลือเป็นบล็อกเดียวนี้จะมีค่าเท่ากับผลคูณ
ของแต่ละบล็อกแต่อย่างไรก็ตามการลดรูปบล็อกไดอะแกรมที่ต่อกันอย่างซับซ้อนและมีส่วนป้อนกลับหลายๆ
วง(Loop)นั้นไม่สามารถจะยุบให้เหลือเพียงบล็อกเดียวได้โดยง่ายแต่จะต้องทำการยุบทีละขั้นโดยอาศัย
พีชคณิตของบล็อกไดอะแกรมมาช่วย โดยใช้หลักการทางพีชคณิตของบล็อกไดอะแกรมดังตารางที่ 4.1
จะช่วยให้การยุบบล็อกง่ายและเร็วขึ้นอย่างไรก็ตามในการยุบบล็อกไดอะแกรมให้ง่ายหรือเหลือเพียงบล็อก
เดียววิศวกรควรจะระลึกไว้เสมอว่า
การวิเคราะห์ระบบง่ายขึ้น บล็อกไดอะแกรมที่ต่อเรียงกันแบบอนุกรมหลายๆบล็อกสามารถยุบให้เหลือเพียง
บล็อกเดียวได้โดยง่ายและฟังก์ชันถ่ายโอนของบล็อกที่ถูกยุบให้เหลือเป็นบล็อกเดียวนี้จะมีค่าเท่ากับผลคูณ
ของแต่ละบล็อกแต่อย่างไรก็ตามการลดรูปบล็อกไดอะแกรมที่ต่อกันอย่างซับซ้อนและมีส่วนป้อนกลับหลายๆ
วง(Loop)นั้นไม่สามารถจะยุบให้เหลือเพียงบล็อกเดียวได้โดยง่ายแต่จะต้องทำการยุบทีละขั้นโดยอาศัย
พีชคณิตของบล็อกไดอะแกรมมาช่วย โดยใช้หลักการทางพีชคณิตของบล็อกไดอะแกรมดังตารางที่ 4.1
จะช่วยให้การยุบบล็อกง่ายและเร็วขึ้นอย่างไรก็ตามในการยุบบล็อกไดอะแกรมให้ง่ายหรือเหลือเพียงบล็อก
เดียววิศวกรควรจะระลึกไว้เสมอว่า
1) ผลคูณของฟังก์ชันถ่ายโอนในวิถีป้อนไปหน้า (Forward Path) จะต้องมีค่าเท่าเดิม 2) ผลคูณของฟังก์ชันถ่ายโอนในแต่ละวงจะต้องมีค่าเท่าเดิม
กฎทั่วไปของการยุบบล็อกไดอะแกรมให้ง่ายนั้น ได้แก่ การเลื่อนจุดแยกสัญญาณและจุดรามสัญญาณ
และทำการลดวงป้อนกลับที่มีอยู่ภายในระหว่างจุดแยกสัญญาณและจุดรวมสัญญาณก่อน
ในกรณีที่บล็อกไดอะแกรมของการควบคุมแต่ละส่วนมีองค์ประกอบมากก็จะสามารถใช้วิธีการทาง
คณิตศาสตร์อื่นช่วย อย่างไรก็ตามการการหาฟังก์ชันถ่ายโอนในขั้นตอนสุดท้ายของการยุบบล็อกไดอะแกรม
ก็เป็นเรื่องที่สำคัญมาก เนื่องจากว่าการยุบบล็อกไดอะแกรมอาจก่อให้เกิดส่วนประกอบย่อยหรือบล็อกใหม่
และจะทำให้เกิดโพลและซีโรในระบบเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้การวิเคราะห์ระบบมีความยุ่งยากขึ้นไปอีก ผู้ศึกษา
จะต้องทดลองยุบบล็อกไดอะแกรม จากระบบที่ง่ายก่อนและไปหาระบบที่ยากกว่าเพื่อฝึกประสบการณ
์เพื่อที่จะให้ได้ฟังก์ชันถ่ายโอนที่ถูกต้องและสามารถนำไปวิเคราะห์ในส่วนอื่นๆ ได้ต่อไป
และทำการลดวงป้อนกลับที่มีอยู่ภายในระหว่างจุดแยกสัญญาณและจุดรวมสัญญาณก่อน
ในกรณีที่บล็อกไดอะแกรมของการควบคุมแต่ละส่วนมีองค์ประกอบมากก็จะสามารถใช้วิธีการทาง
คณิตศาสตร์อื่นช่วย อย่างไรก็ตามการการหาฟังก์ชันถ่ายโอนในขั้นตอนสุดท้ายของการยุบบล็อกไดอะแกรม
ก็เป็นเรื่องที่สำคัญมาก เนื่องจากว่าการยุบบล็อกไดอะแกรมอาจก่อให้เกิดส่วนประกอบย่อยหรือบล็อกใหม่
และจะทำให้เกิดโพลและซีโรในระบบเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้การวิเคราะห์ระบบมีความยุ่งยากขึ้นไปอีก ผู้ศึกษา
จะต้องทดลองยุบบล็อกไดอะแกรม จากระบบที่ง่ายก่อนและไปหาระบบที่ยากกว่าเพื่อฝึกประสบการณ
์เพื่อที่จะให้ได้ฟังก์ชันถ่ายโอนที่ถูกต้องและสามารถนำไปวิเคราะห์ในส่วนอื่นๆ ได้ต่อไป
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น