32
33
2.4.2 รูปแบบของการควบคุม
1. ระบบควบคุมแบบวงรอบเปิด (Open Loop Control)
ลักษณะทั่วไปของระบบควบคุมแบบวงรอบเปิดจะเป็นไปตามดังแสดงในภาพประกอบ 2.31 การคุม แบบวงรอบเปิด ตัวควบคุม (Controller) จะส่งสัญญาณป้อน (Input) ใหก้บสิ่งที่ต้องการควบคุม (Plant) ตามค าสั่งหรือสัญญาณอ้างอิง (Command or referent) ที่รับมา โดยที่ตัวควบคุมจะ อนุมานว่า เมื่อสิ่งที่ต้องการควบคุมได้รับสัญญาณป้อนแล้วนั้น ก็จะผลิตเอาท์พุตหรือผลตอบสนอง (Response) ให้ได้ ตามที่คาดหมายไว้โดยที่ไม่ต้องท าการสอบสัญญาณเอาท์พุตจริงว่าเป็นไปตาม ค าสั่งหรือไม
ตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีลักษณะการท างานเป็นแบบวงรอบเปิด ไดแก่ ตู้อบไมโครเวฟ ที่มี
ลักษณะการปรับเปลี่ยนก าลังไฟฟ้า โดยที่ไม่มีก ารตรวจสอบว่าก าลังไฟฟ้าจริงที่ออกมาในรูปของ สัญญาณไมโครเวฟนั้นว่าเป็นเท่าใดกันแน่หรือออกมาได้เท่ากับปรับตั้งไว้หรือไม่ ลักษณะการท างาน จึงเป็นวงรอบเปิด
ภาพประกอบ 2.31 ระบบควบคุมแบบวงรอบเปิด [41]
2. ระบบควบคุมแบบวงรอบปิด (Closed Loop Control) ระบบควบคุมวงรอบปิดดังมีลักษณะดังภาพประกอบ 2.32
ภาพประกอบ 2.32 ระบบควบคุมแบบวงรอบเปิด [42]
34
ลักษณะทั่วไปของระบบควบคุมแบบวงรอบปิดจะเป็นไปตามภาพประกอบ 2.32 ในการ ควบคุมแบบวงรอบปิด ตัวควบคุม (Controller) จะท าการเปรียบเทียบสัญญาณอ้างอิงหรือค าสั่ง (Referent or Command) กับสัญญาณเอาท์พุตหรือผลตอบสนอง (Output or Response) ที่
ป้อนกลับมาโดยตัวตรวจจับ (Measurement or Sensor) แล้วนั้นไปสร้างสัญญาณป้อนหรืออินพุต (Input) ให้กับสิ่งที่ต้องการควบคุม (System under Controlled or Plant) เพื่อที่จะให้ผลิต เอาท์พุตหรือผลตอบสนองให้เป็นไปตามสัญญาณอ้างอิงที่ต้องการ (Command or Reference)
ระบบควบคุมแบบวงรอบปิดอาจจะเรียกได้อีกอย่างว่า ระบบควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control System) ตามภาพประกอบ 2.33 ระบบนี้เป็นระบบควบคุมที่พยายามรักษา เอาต์พุตให้ได้ตามต้องการ โดยการน าเอาสัญญาณเอาท์พุตมาเปรียบเทียบกับสัญญาณอ้างอิงที่
ต้องการแล้วน าค่าความแตกต่างไปใช้ในการควบคุมสัญญาณป้อนให้กับสิ่งที่ต้องกาควบคุม
ภาพประกอบ 2.33 ระบบควบคุมแบบป้อนกลับ [43]
ตัวอย่างของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีลักษณะการท างานเป็นแบบวงรอบปิด ได้แก่ เตารีด ตู้เย็น หรือเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น เตารีดมีสวิตช์เป็นไบเมทัลที่โก่งตัวเมื่ออุณหภูมิรอบ ๆ ตัวมันสูงขึ้น และใช้การโก่งตัวนี้เป็นสวิทช์ตัดต่อการท างานของฮีตเตอร์ การท างานจึงเป็นวงรอบปิด ส่วนตู้เย็น หรือเครื่องปรับอากาศก็เช่นกัน มีเทอร์โมสตัทเป็นตัววัดอุณหภูมิภายในตู้และตัวเทอร์โมสตัทเองก็เป็น สวิทช์ควบคุมการตัดต่อคอมเพรสเซอร์ให้ท างาน เมื่อคอมเพรสเซอร์ท างานก็ท าให้เกิดความเย็น เป็นไปตามที่เทอร์โมสตัทตั้งค่าไว้ ลักษณะการท างานนี้เป็นไปตามภาพประกอบ 2.34
35
ภาพประกอบ 2.34 ระบบอุณหภูมิของตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศ [44]
พิจารณาระบบควบคุมกับการขับรถยนต์ในภาพประกอบ 2.35 สามารถมองการขับรถยนต์
นี้ได้ 2 ลักษณะคือ การควบคุมแบบวงรอบเปิด และการควบคุมแบบวงรอบปิด ถ้ามองเฉพาะตัว รถยนต์ลักษณะการควบคุมความเร็วและทิศทางของรถยนต์จะเป็นแบบวงรอบเปิด เพราะตัวรถยนต์
เองไม่มีการตรวจจับและบังคับความเร็วและทิศทางด้วยตัวของมันเองได้ มีเฉพาะตัวสั่งการคือ พวงมาลัยในการปรับเปลี่ยนทิศทางและคันเร่งส าหรับเร่งความเร็วเท่านั้น ลักษณะการท างานของ รถยนต์จึงมองได้ว่าเป็นการควบคุมแบบวงรอบเปิด แต่ถ้าหากพิจารณาเมื่อมีคนขับเข้ามาด้วยแล้ว คนขับสามารถที่มองเห็นด้านหน้าของรถและสัมผัสได้ถึงความเร็วและตัวคนขับเองก็เป็นผู้บังคับและ สั่งการ โดยใช้เป้าหมายในการเดินทางและความเร็วที่ต้องการขับ เมื่อรวมสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้เข้าไปด้วย จึงสามารถมองได้ว่าการขับรถยนต์โดยพิจารณาคนขับเข้าไปในวงรอบการควบคุมด้วยแล้ว ระบบนี้จึง เป็นระบบควบคุมแบบวงรอบปิด
ภาพประกอบ 2.35 ระบบควบคุมการขับรถยนต์ [45]
ลักษณะการท างานของดีซีเซอร์โวมอเตอร์ตามภาพประกอบ 2.36 มีลักษณะที่ชัดเจนว่า เป็นการควบคุมแบบวงรอบปิด สังเกตได้จากการที่มีการตรวจจับและควบคุมทั้งต าแหน่งและความเร็ว ของมอเตอร์ด้วยการควบคุมแรงดันที่จ่ายเข้าที่ขั้วของมอเตอร์
36
ภาพประกอบ 2.36 การควบคุมดีซีเซอร์โวมอเตอร์ [46]
2.4.3 ชนิดของการควบคุมที่นิยมในงานอุตสาหกรรม
ระบบควบคุมในงานอุตสาหกรรมที่พบบ่อยเกี่ยวข้องกับการควบคุมใน 2 ลักษณะ คือ 1) การควบคุมระบบด้วยการเปิด-ปิดการท างาน
2) การควบคุมการท างานด้วยสัญญาณควบคุมที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าต่อเนื่องเป็นสัญญาณ อนาล็อก
ตัวอย่าง ของตัวควบคุมที่พบได้บ่อยๆในงานอุตสาหกรรมแบ่งตามลักษณะการควบคุม ดังกล่าวมีดังต่อไปนี้
2.4.3.1 กลุ่มของตัวควบคุมที่มีสัญญาณออกเป็นการเปิด-ปิด ตัวควบคุมแบบเปิดปิด (On-off or Bang-Bang Control)
ลักษณะการท างานก็คือการสั่งเปิดปิดการท างานเมื่อผลตอบสนองมากกว่า หรือน้อยกว่า สัญญาณอ้างอิง บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นไปตามภาพประกอบ 2.37
ภาพประกอบ 2.37 ตัวควบคุมแบบเปิด-ปิด [47]
37
ตัวควบคุมแบบฮีสเตอรีสิส (Hysteresis Control)
ลักษณะการท างานก็คือ การสั่งเปิดปิดการท างานเมื่อผลตอบสนองมากกว่าหรือน้อยกว่า สัญญาณอ้างอิงบวกหรือลบด้วยย่านการสั่งการเปิดปิด (Band) บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการ ท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.38
ภาพประกอบ 2.38 ตัวควบคุมแบบฮีสเตอรีสิส [48]
ตัวควบคุมแบบควบคุมความกว้างของพัลส์ (Pulse-Width-Modulation Control: PWM) ลักษณะการท างานก็คือการสั่งเปิดปิดการท างานด้วยการควบคุมความกว้างของพัลส์ที่มี
ความถี่คงที่ ซึ่งอาจจะมีตัวควบคุมแบบพีไอดีร่วมด้วยหรือไม่มีก็ได้ ดังตัวอย่างบล็อกไดอะแกรมและ ฟังก์ชั่นการท างานภาพประกอบ 2.39
ภาพประกอบ 2.39 ตัวควบคุมแบบควบคุมความกว้างของพัลส์ [49]
2.4.3.2 กลุ่มของตัวควบคุมที่มีสัญญาณออกเป็นอนาล็อก ตัวควบคุมแบบสัดส่วน (Proportional Control)
ลักษณะการท างานก็คือ การส่งสัญญาณเอาท์พุตออกมาเป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญาณค่า ความผิดพลาด บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังแสดงในภาพประกอบ 2.40
38
ภาพประกอบ 2.40 ตัวควบคุมแบบสัดส่วน [50]
ตัวควบคุมแบบปริพันธ์ (Integral Control)
ลักษณะการท างานก็คือการส่งสัญญาณเอาท์พุตออกมาจากการอินทิเกรตสัญญาณค่าความ ผิดพลาด บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.41
ภาพประกอบ 2.41 ตัวควบคุมแบบปริพันธ์ [51]
ตัวควบคุมแบบอนุพันธ์ (Derivative Control)
ลักษณะการท างานก็คือการส่งสัญญาณเอาท์พุตออกมาจากการอนุพันธ์สัญญาณค่าความ ผิดพลาด บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั้นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.42
ภาพประกอบ 2.42 ตัวควบคุมแบบปริพันธ์ [52]
39
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับปริพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีไอ (Proportional-Integral Control: PI Control) แบบใช้ค่าเกนร่วม
ลักษณะการท างานก็คือ การท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วนและตัวควบคุมแบบ ปริพันธ์บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.43
ภาพประกอบ 2.43 ตัวควบคุมแบบพีไอ [53]
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับอนุพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีดี (Proportional-Derivative Control: PD Control) แบบใช้ค่าเกนร่วม
ลักษณะการท างานก็คือการท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วนและตัวควบคุมแบบ ปริพันธ์บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.44
ภาพประกอบ 2.44 ตัวควบคุมแบบพีดี [54]
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับปริพันธ์และอนุพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีไอดี
(Proportional–Integral Control: PID Control) แบบใช้ค่าเกนร่วม
ลักษณะการท างานก็คือการท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วน ตัวควบคุมแบบ ปริพันธ์ และตัวควบคุมแบบอนุพันธ์ บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.45
40
ภาพประกอบ 2.45 ตัวควบคุมแบบพีไอดี [55]
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับปริพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีไอ (Proportional-Integral Control: PI Control) แบบแยกการปรับค่าเกน
ลักษณะการท างานก็คือ การท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วนและตัวควบคุมแบบ ปริพันธ์ บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.46
ภาพประกอบ 2.46 ตัวควบคุมแบบพีไอ [56]
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับอนุพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีดี (Proportional- Derivative Control: PD Control) แบบแยกการปรับค่าเกน
ลักษณะการท างานก็คือ การท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วนและตัวควบคุมแบบ อนุพันธ์ บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานเป็นดังภาพประกอบ 2.47
ภาพประกอบ 2.47 ตัวควบคุมแบบพีดี [57]
41
ตัวควบคุมแบบสัดส่วนร่วมกับปริพันธ์และอนุพันธ์ หรือ ตัวควบคุมแบบพีไอดี
(Proportional–Integral Control: PID Control) แบบแยกการปรับค่าเกน
ลักษณะการท างานก็คือ การท างานร่วมกันของตัวควบคุมแบบสัดส่วน ตัวควบคุมแบบ ปริพันธ์และตัวควบคุมแบบอนุพันธ์บล็อกไดอะแกรมและฟังก์ชั่นการท างานดังภาพประกอบ 2.48
ภาพประกอบ 2.48 ตัวควบคุมแบบพีไอดี [58]
2.4.4 ตัวควบคุมแบบพีไอดี
ตัวควบคุมแบบพีไอดี เป็นตัวควบคุมที่พบบ่อยมากที่สุดในงานอุตสาหกรรมทั่วไปเพราะเป็น ตัวควบคุมที่ใช้งานง่าย การปรับค่าเกนอาศัยหลักการที่ไม่ได้ซับซ้อนมากนักก็ให้ผลตอบสนองเป็นที่
ยอมรับได้สามารถปรับแต่งการควบคุมได้ง่ายเมื่อต้องการ ระบบควบคุมแบบพีไอดีมีตัวควบคุมย่อย 3 ตัว คือ 1) ตัวควบคุมแบบสัดส่วนหรือตัวควบคุมพี 2) ตัวควบคุมแบบปริพันธ์หรือตัวควบคุมไอ และ 3) ตัวควบคุมแบบปริพันธ์หรือตัวควบคุมดีในการควบคุมระบบทั่วไปมักใช้งานตัวควบคุมร่วมกัน เช่น กาควบคุมแบบพีไอ การควบคุมแบบพีดี และการควบคุมแบบพีไอดีรายละเอียดการท างานของตัว ควบคุมแต่ละแบบมีดังนี้
2.4.4.1 ตัวควบคุมแบบสัดส่วน
หรือตัวควบคุมแบบพี ตัวควบคุมแบบนี้จะน าเอาสัญญาณค่าความผิดพลาดระหว่างสัญญาณ อ้างอิงกับสัญญาณเอาท์พุตมาเป็นอินพุตของตัวควบคุม แล้วตัวควบคุมจะท าการสร้างสัญญาณ เอาท์พุตด้วยการขยายสัญญาณความผิดพลาดดังกล่าวด้วยค่าเกนของตัวควบคุมบล็อกไดอะแกรม และลักษณะของการประมวลผลสัญญาณเป็นดังภาพประกอบ 2.49
ภาพประกอบ 2.49 ตัวควบคุมแบบพี [59]