ส่วนประกอบและตัวแปรในระบบควบคุม (Control System)

ในบทความนี้จะอธิบายคำศัพท์ ส่วนประกอบและตัวแปรในระบบควบคุม (Control System) เพื่อเป็นพื้นฐานในการเรียนรู้ระบบควบคุมในบทความต่อไป

ระบบควบคุม (Control System)

ขอเริ่มต้นการเรียนรู้ระบบควบคุม โดยการยกตัวอย่างระบบควบคุมคือ ระบบควบคุมอุณหภูมิของเตาอบดังรูปที่ 1

ในวิศวกรรมควบคุมนิยมนำระบบที่ต้องการควบคุมมาเขียนเป็นบล็อกไดอะแกรม (Block diagram) เพื่อใช้ในการอธิบายและวิเคราะห์ระบบควบคุม จากรูปที่ 1 สามารถนำมาเขียนเป็นบล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมในรูปทั่วไปได้ดังรูปที่ 2

ส่วนประกอบของระบบควบคุม

ส่วนประกอบ (Component) คือ ชิ้นส่วนต่างๆ ซึ่งโดยปกติกจะหมายถึงฮาร์ดแวร์ ที่ประกอบรวมกันขึ้นเป็นระบบควบคุม

จากรูปที่ 2 ระบบควบคุมอุณหภูมิของเตาอบมีส่วนประกอบต่างๆของระบบควบคุม ดังต่อไปนี้คือ

ตัวควบคุม (Controller) คือ สิ่งที่ใช้ในการควบคุมระบบเพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ ซึ่งอาจจะหมายถึงแนวคิดในการควบคุมเช่น ตัวควบคุมแบบเปิดปิด (On/Off Controller) หรือตัวควบคุมแบบ PID เป็นต้น หรืออาจจะหมายถึงฮาร์ดแวร์ที่ใช้ในการควบคุมเช่น บอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์หรือ PLC เป็นต้น จากตัวอย่างคือ บอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ UNO

ตัวขับเร้า (Actuator) คือ เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนตัวแปรควบคุมที่ส่งมาจากตัวควบคุมซึ่งเป็นตัวแปรที่มีกำลังต่ำ ให้เป็นตัวแปรจัดการที่มีกำลังสูง เพื่อนำไปขับเคลื่อนระบบให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ จากตัวอย่างคือ รีเลย์แบบโซลิดสเตท (solid state relay, SSR)

พลานต์ (Plant) คือ ตัวของอุปกรณ์หรือเครื่องจักรที่ถูกควบคุม จากตัวอย่างคือ เตาอบ

อุปกรณ์การวัด (Measurement) คือ วงจร เซ็นเซอร์ อุปกรณ์ หรือเครื่องมือ ที่ใช้ในการวัดตัวแปรเอาต์พุต จากตัวอย่างคือ ชุดตรวจวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล

ตัวแปรในระบบควบคุม

ตัวแปร (Variable) คือ ค่า สัญญาณ ข้อมูลหรือสิ่งใดๆ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าได้เมื่อเวลาเปลี่ยนแปลงไป

ตัวอย่างเช่นดังรูปที่ 2 มีตัวแปรต่างๆ ดังต่อไปนี้คือ

$o(t)$ คือ ตัวแปรเอาต์พุต (output variable) เป็นค่าตัวแปรที่ต้องการควบคุมจากระบบ จากตัวอย่างก็คือ อุณหภูมิภายในเตาอบ

$o_M(t)$ คือ ตัวแปรเอาต์พุตที่วัดได้ (measured output variable) คือค่าตัวแปรเอาต์พุตที่อ่านได้จากเครื่องมือวัด จากตัวอย่างคือ ค่าที่ได้จากชุดตรวจวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมคัปเปิล

$r(t)$ คือ ตัวแปรอ้างอิง (reference variable) เป็นค่าตัวแปรที่ต้องการให้ตัวแปรเอาต์พุตเข้าไปสู่นี้ จากตัวอย่างคือ ค่าอุณหภูมิภายในเตาอบที่ต้องการ

$c(t)$ คือ ตัวแปรควบคุม (control variable) เป็นค่าเอาต์พุตของตัวควบคุม ซึ่งเป็นผลมาจากการประมวลผลจากตัวควบคุมเพื่อให้ตัวแปรเอาต์พุตเป็นไปตามที่ต้องการ จากตัวอย่างคือ ค่า PWM ที่ส่งออกมาจากไมโครคอนโทรลเลอร์

$m(t)$ คือ ตัวแปรจัดการ (manipulated variable) เป็นตัวแปรทางกำลังซึ่งจะแปรเปลี่ยนค่าตามตัวแปรควบคุม ตัวแปรนี้จะขับเคลื่อนให้ตัวแปรเอาต์พุตแปรเปลี่ยนไปสู่ค่าที่ต้องการ จากตัวอย่างคือ ค่าแรงดันที่ตกคร่อมฮีตเตอร์ของเตาอบ

$d(t)$ คือ ตัวแปรรบกวน (disturbance variable) เป็นตัวแปรที่เข้ามารบกวนระบบ โดยจะส่งผลทำให้ตัวแปรเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงค่าในลักษณะที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง จากตัวอย่างคือ เมื่อเราเปิดฝาเตาอบ ทำให้ความร้อนในเตาอบไหลออกสู่ภายนอก ทำให้อุณหภูมิภายในเตาอบซึ่งเป็นตัวแปรเอาต์พุตลดลง

ข้อมูลเพิ่มเติม

เนื้อหาบางส่วนของบทความฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของ คอร์สตัวควบคุม PID ขั้นพื้นฐาน

หากท่านมีคำถามหรือข้อสงสัยประการใดสามารถสอบถามได้ที่

Facebook: Wanno Academy

(เมื่อเข้า Wanno Acedemy ได้แล้ว กดส่งข้อความ เพื่อเริ่มพูดคุยกับผมได้เลยครับ)