ระบบควบคุม

Q: การควบคุมแบบวงเปิดและวงปิด

โดยพื้นฐานแล้ว ระบบควบคุมมีสองประเภท ได้แก่ ระบบควบคุมแบบวงเปิด (feedforward) และ ระบบควบคุมแบบวงปิด (feedback)

ตัวควบคุมแรงเหวี่ยงเป็นกลไกควบคุมแบบสัดส่วน รุ่นแรกๆ

ระบบควบคุมทำหน้าที่จัดการ สั่งการ กำกับ หรือควบคุมพฤติกรรมของอุปกรณ์หรือระบบอื่นๆ โดยใช้ลูปควบคุม ระบบควบคุมอาจมีตั้งแต่เครื่องควบคุมความร้อนในบ้านที่ใช้เทอร์โมสตัทควบคุมหม้อต้มน้ำ ไปจนถึงระบบควบคุมอุตสาหกรรม ขนาดใหญ่ ที่ใช้ควบคุมกระบวนการหรือเครื่องจักร ระบบควบคุมเหล่านี้ได้รับการออกแบบผ่านกระบวนการทางวิศวกรรมควบคุม

สำหรับการควบคุมแบบปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง จะใช้ ตัวควบคุมแบบป้อนกลับเพื่อควบคุมกระบวนการหรือการทำงานโดยอัตโนมัติ ระบบควบคุมจะเปรียบเทียบค่าหรือสถานะของตัวแปรกระบวนการ (PV) ที่กำลังถูกควบคุมกับค่าที่ต้องการหรือจุดตั้งค่า (SP) และใช้ผลต่างเป็นสัญญาณควบคุมเพื่อให้ค่าเอาต์พุตของตัวแปรกระบวนการของระบบมีค่าเท่ากับจุดตั้งค่า

สำหรับ วงจรตรรกะ แบบลำดับและแบบผสมจะใช้วงจรตรรกะแบบซอฟต์แวร์เช่น ในตัวควบคุมตรรกะแบบโปรแกรมได้

การควบคุมแบบวงเปิดและวงปิด

โดยพื้นฐานแล้ว ระบบควบคุมมีสองประเภท ได้แก่ระบบควบคุมแบบวงเปิด (feedforward) และระบบควบคุมแบบวงปิด (feedback)

ในการควบคุมแบบวงเปิด การทำงานควบคุมจากตัวควบคุมจะไม่ขึ้นอยู่กับ "ผลลัพธ์ของกระบวนการ" (หรือ "ตัวแปรของกระบวนการที่ถูกควบคุม") ตัวอย่างที่ดีคือหม้อต้มน้ำร้อนส่วนกลางที่ควบคุมด้วยตัวจับเวลาเท่านั้น ทำให้ความร้อนถูกส่งออกไปในระยะเวลาคงที่ โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิของอาคาร การทำงานควบคุมคือการเปิด/ปิดหม้อต้ม แต่ตัวแปรที่ถูกควบคุมควรจะเป็นอุณหภูมิของอาคาร แต่กลับไม่ใช่เช่นนั้น เพราะนี่คือการควบคุมแบบวงเปิดของหม้อต้ม ซึ่งไม่ได้ให้การควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด
ในการควบคุมแบบวงปิด การกระทำควบคุมจากตัวควบคุมจะขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของกระบวนการ ในกรณีของการเปรียบเทียบหม้อไอน้ำ จะรวมถึงเทอร์โมสตัทเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของอาคาร และส่งสัญญาณป้อนกลับเพื่อให้แน่ใจว่าตัวควบคุมรักษาอุณหภูมิของอาคารไว้ที่อุณหภูมิที่ตั้งไว้บนเทอร์โมสตัท ดังนั้น ตัวควบคุมแบบวงปิดจึงมีวงจรป้อนกลับซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าตัวควบคุมจะดำเนินการควบคุมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของกระบวนการเหมือนกับ "อินพุตอ้างอิง" หรือ "จุดตั้งค่า" ด้วยเหตุนี้ ตัวควบคุมแบบวงปิดจึงเรียกว่าตัวควบคุมป้อนกลับ^{[ 1 ]}

นิยามของระบบควบคุมวงปิดตามสถาบันมาตรฐานอังกฤษคือ "ระบบควบคุมที่มีการป้อนกลับการตรวจสอบ โดยสัญญาณเบี่ยงเบนที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการป้อนกลับนี้จะถูกใช้ควบคุมการทำงานขององค์ประกอบควบคุมขั้นสุดท้ายในลักษณะที่มุ่งลดค่าเบี่ยงเบนให้เป็นศูนย์" ^{[ 2 ]}

ในทำนองเดียวกัน “ ระบบควบคุมป้อนกลับเป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะรักษาความสัมพันธ์ที่กำหนดไว้ของตัวแปรระบบหนึ่งกับอีกตัวแปรหนึ่งโดยการเปรียบเทียบฟังก์ชันของตัวแปรเหล่านี้และใช้ความแตกต่างเป็นวิธีการควบคุม” ^{[ 2 ]}

ระบบควบคุมป้อนกลับ

{\displaystyle w(t)} — ภาพประกอบแสดงระบบควบคุมแบบวงปิดที่ประกอบด้วยจุดตั้งค่า $w(t)$ เอาต์พุตที่วัดได้ $y_{m}(t)$ ข้อผิดพลาดที่วัดได้ $e(t)$ เอาต์พุตของตัวควบคุม $u(t)$ อินพุตระบบ $u_{s}(t)$ ความวุ่นวาย $d(t)$ และผลลัพธ์ของระบบ $y(t)$

ตัวควบคุมแบบวงปิดหรือตัวควบคุมแบบป้อนกลับคือวงจรควบคุมที่รวมเอาการป้อนกลับ ไว้ด้วย ซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมแบบวงเปิดหรือตัวควบคุมที่ไม่มีการป้อนกลับตัวควบคุมแบบวงปิดใช้การป้อนกลับเพื่อควบคุมสถานะหรือเอาต์พุตของระบบไดนามิกชื่อของมันมาจากเส้นทางข้อมูลในระบบ: อินพุตของกระบวนการ (เช่นแรงดัน ไฟฟ้า ที่จ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า ) มีผลต่อเอาต์พุตของกระบวนการ (เช่น ความเร็วหรือแรงบิดของมอเตอร์) ซึ่งวัดด้วยเซ็นเซอร์และประมวลผลโดยตัวควบคุม ผลลัพธ์ (สัญญาณควบคุม) จะถูก "ป้อนกลับ" เป็นอินพุตไปยังกระบวนการ ทำให้วงจรปิด^{[ 3 ]}

ในกรณีของระบบควบคุมแบบ ป้อนกลับ เชิงเส้น วงจรควบคุม ซึ่งประกอบด้วยเซ็นเซอร์อัลกอริทึมควบคุม และแอคทูเอเตอร์ จะถูกจัดเรียงเพื่อพยายามควบคุมตัวแปรให้อยู่ที่จุดตั้งค่า (SP) ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไปคือระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติในรถยนต์ ซึ่งอิทธิพลภายนอก เช่น เนินเขา จะทำให้ความเร็วเปลี่ยนแปลง และผู้ขับขี่สามารถปรับความเร็วที่ต้องการได้อัลกอริทึม PIDในตัวควบคุมจะคืนค่าความเร็วที่แท้จริงให้กลับไปสู่ความเร็วที่ต้องการอย่างเหมาะสมที่สุด โดยมีความล่าช้าหรือการโอเวอร์ชูต น้อยที่สุด โดยการควบคุมกำลังขับของเครื่องยนต์รถยนต์ ระบบควบคุมที่รวมถึงการตรวจจับผลลัพธ์ที่พยายามจะทำให้สำเร็จนั้นใช้ประโยชน์จากระบบป้อนกลับและสามารถปรับตัวให้เข้ากับสถานการณ์ที่เปลี่ยนแปลงไปได้ในระดับหนึ่งระบบควบคุมแบบวงเปิดจะไม่ใช้ประโยชน์จากระบบป้อนกลับ และทำงานเฉพาะในรูปแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเท่านั้น

ตัวควบคุมแบบวงปิดมีข้อดีเหนือกว่าตัวควบคุมแบบวงเปิดดังต่อไปนี้:

การลดผลกระทบจากสิ่งรบกวน (เช่น เนินเขาในตัวอย่างระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติข้างต้น)
รับประกันประสิทธิภาพแม้จะ มีความไม่แน่นอน ในแบบจำลองเมื่อโครงสร้างของแบบจำลองไม่ตรงกับกระบวนการจริงอย่างสมบูรณ์ และพารามิเตอร์ของแบบจำลองไม่แม่นยำ
กระบวนการ ที่ไม่เสถียรสามารถทำให้เสถียรได้
ความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ลดลง
ประสิทธิภาพการติดตามอ้างอิงที่ดีขึ้น
การแก้ไขความผันผวนแบบสุ่มที่ดีขึ้น^{[ 4 ]}

ในบางระบบ จะมีการใช้การควบคุมแบบวงปิดและวงเปิดพร้อมกัน ในระบบดังกล่าว การควบคุมแบบวงเปิดจะเรียกว่าการป้อนกลับล่วงหน้า (feedforward)ซึ่งทำหน้าที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการติดตามค่าอ้างอิงให้ดียิ่งขึ้น

สถาปัตยกรรมตัวควบคุมแบบวงปิดที่พบได้ทั่วไปคือ ตัว ควบคุมPID

การควบคุมตรรกะ

ระบบควบคุมตรรกะสำหรับเครื่องจักรในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ในอดีตนั้นใช้รีเลย์ ไฟฟ้า และตัวจับเวลาแบบลูกเบี้ยว ที่เชื่อมต่อกัน โดยใช้ลอจิกแบบบันไดปัจจุบัน ระบบดังกล่าวส่วนใหญ่สร้างขึ้นด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์หรือตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ (PLC) ที่มีความเฉพาะเจาะจงมากขึ้น สัญกรณ์ของลอจิกแบบบันไดยังคงถูกใช้เป็นวิธีการเขียนโปรแกรมสำหรับ PLC ^{[ 5 ]}

ตัวควบคุมตรรกะสามารถตอบสนองต่อสวิตช์และเซ็นเซอร์ และสามารถทำให้เครื่องจักรเริ่มและหยุดการทำงานต่างๆ ผ่านการใช้แอคทูเอเตอร์ตัวควบคุมตรรกะใช้ในการจัดลำดับการทำงานทางกลในหลายๆ การใช้งาน ตัวอย่างเช่น ลิฟต์ เครื่องซักผ้า และระบบอื่นๆ ที่มีการทำงานที่เกี่ยวโยงกัน ระบบควบคุมลำดับอัตโนมัติอาจสั่งการให้แอคทูเอเตอร์ทางกลหลายตัวทำงานตามลำดับที่ถูกต้องเพื่อปฏิบัติงาน ตัวอย่างเช่น ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าและนิวแมติกต่างๆ อาจพับและติดกาวกล่องกระดาษ บรรจุสินค้าลงไป และปิดผนึกในเครื่องบรรจุภัณฑ์อัตโนมัติ

ซอฟต์แวร์ PLC สามารถเขียนได้หลายวิธี เช่น แผนภาพบันไดแผนภูมิฟังก์ชันตามลำดับหรือรายการคำสั่ง^{[ 6 ]}

การควบคุมเปิด-ปิด

ระบบควบคุมแบบเปิด-ปิดใช้ตัวควบคุมป้อนกลับที่สลับระหว่างสองสถานะอย่างฉับพลันเทอร์โมสตัท แบบไบเมทัลลิกอย่างง่ายในบ้านเรือน สามารถอธิบายได้ว่าเป็นตัวควบคุมแบบเปิด-ปิด เมื่ออุณหภูมิในห้อง (PV) ลดลงต่ำกว่าค่าที่ผู้ใช้ตั้งไว้ (SP) เครื่องทำความร้อนจะเปิดทำงาน อีกตัวอย่างหนึ่งคือสวิตช์ความดันในเครื่องอัดอากาศ เมื่อความดัน (PV) ลดลงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้ (SP) เครื่องอัดอากาศจะทำงาน ตู้เย็นและปั๊มสุญญากาศมีกลไกที่คล้ายกัน ระบบควบคุมแบบเปิด-ปิดอย่างง่ายเช่นนี้มีราคาถูกและมีประสิทธิภาพ

การควบคุมเชิงเส้น

การควบคุมเชิงเส้นเป็นระบบควบคุมและทฤษฎีการควบคุมที่ใช้ หลักการ ป้อนกลับเชิงลบเพื่อสร้างสัญญาณควบคุมในการรักษาระดับตัวแปรกระบวนการ ที่ถูกควบคุม (PV) ให้อยู่ที่จุดตั้งค่า ที่ต้องการ (SP) ระบบควบคุมเชิงเส้นมีหลายประเภทที่มีความสามารถแตกต่างกัน

ตรรกะคลุมเครือ

ตรรกะคลุมเครือ (Fuzzy logic) คือความพยายามที่จะประยุกต์ใช้การออกแบบที่ง่ายของตัวควบคุมตรรกะ (Logic controller) กับการควบคุมระบบที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง โดยพื้นฐานแล้ว การวัดในระบบตรรกะคลุมเครืออาจมีความถูกต้องเพียงบางส่วนเท่านั้น

กฎของระบบถูกเขียนด้วยภาษาธรรมชาติและแปลงเป็นตรรกะคลุมเครือ ตัวอย่างเช่น การออกแบบเตาเผาจะเริ่มต้นด้วย: "ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไป ให้ลดปริมาณเชื้อเพลิงในเตาเผา ถ้าอุณหภูมิต่ำเกินไป ให้เพิ่มปริมาณเชื้อเพลิงในเตาเผา"

ค่าที่วัดได้จากโลกแห่งความเป็นจริง (เช่น อุณหภูมิของเตาเผา) จะถูกแปลงเป็นค่าคลุมเครือและใช้ตรรกะการคำนวณทางคณิตศาสตร์ แทนที่จะใช้ตรรกะแบบบูลีน จากนั้นจึงแปลงค่าที่คลุมเครือกลับเป็นค่าที่ชัดเจนเพื่อควบคุมอุปกรณ์

เมื่อการออกแบบแบบฟัซซีที่มีประสิทธิภาพถูกลดทอนให้เหลือเพียงการคำนวณที่รวดเร็วเพียงครั้งเดียว มันจะเริ่มคล้ายกับวิธีการแก้ปัญหาแบบวงจรป้อนกลับแบบดั้งเดิม และอาจดูเหมือนว่าการออกแบบแบบฟัซซีนั้นไม่จำเป็น อย่างไรก็ตาม รูปแบบตรรกะฟัซซีอาจช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับขนาดสำหรับระบบควบคุมขนาดใหญ่ ซึ่งวิธีการแบบดั้งเดิมนั้นยุ่งยากหรือมีต้นทุนสูงในการดำเนินการ

อิเล็กทรอนิกส์แบบฟัซซีเป็นเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตรรกะแบบฟัซซีแทนตรรกะแบบสองค่าซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไปในอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล

การนำไปใช้จริง

ขอบเขตของการนำระบบควบคุมไปใช้งานนั้นครอบคลุมตั้งแต่ตัวควบคุมขนาดกะทัดรัดซึ่งมักมีซอฟต์แวร์เฉพาะสำหรับเครื่องจักรหรืออุปกรณ์เฉพาะ ไปจนถึงระบบควบคุมแบบกระจายสำหรับควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมในโรงงานขนาด ใหญ่

ระบบลอจิกและตัวควบคุมป้อนกลับมักจะถูกนำไปใช้ด้วยตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ Broadly Reconfigurable and Expandable Automation Device (BREAD) เป็นเฟรมเวิร์กใหม่ล่าสุดที่ให้ ฮาร์ดแวร์ โอเพนซอร์ส จำนวนมาก ซึ่งสามารถเชื่อมต่อเพื่อสร้าง ระบบ การรับข้อมูลและการควบคุม ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้ ^{[ 7 ]}

ดูเพิ่มเติม

ระบบอัตโนมัติในอาคาร – สาขาหนึ่งของระบบอัตโนมัติ
วิธีแผนภาพสัมประสิทธิ์
ทฤษฎีการควบคุม – สาขาหนึ่งของวิศวกรรมและคณิตศาสตร์
ไซเบอร์เนติกส์ – การศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการเชิงสาเหตุแบบวงกลม
ระบบควบคุมแบบกระจาย – ระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีการตัดสินใจแบบกระจายอำนาจ
การควบคุมความเร็วแบบดรอป – โหมดควบคุมสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ
การศึกษาและการฝึกอบรมวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
EPICS – โครงสร้างพื้นฐานซอฟต์แวร์สำหรับการสร้างระบบควบคุมแบบกระจาย
ตัวควบคุมที่ดี – ทฤษฎีบทในวิทยาการไซเบอร์หน้าเว็บที่แสดงคำอธิบายสั้น ๆ ของเป้าหมายการเปลี่ยนเส้นทาง
การนำทาง การควบคุม และการบังคับทิศทาง – สาขาหนึ่งของวิศวกรรม
ระบบควบคุมแบบลำดับชั้น – โมเดลแบบแบ่งชั้นสำหรับการจัดระเบียบส่วนประกอบในซอฟต์แวร์และหุ่นยนต์
ระบบควบคุม HVAC – ระบบควบคุมอุปกรณ์ทำความร้อน การระบายอากาศ และเครื่องปรับอากาศ
ระบบควบคุมอุตสาหกรรม – ระบบควบคุมกระบวนการและอุปกรณ์วัดที่เกี่ยวข้อง
การควบคุมการเคลื่อนที่ – สาขาหนึ่งของระบบอัตโนมัติที่ศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ชิ้นส่วนของเครื่องจักรอย่างแม่นยำ
ระบบควบคุมเครือข่าย
การควบคุมเชิงตัวเลข – การควบคุมเครื่องมือกลด้วยคอมพิวเตอร์หน้าเว็บที่แสดงคำอธิบายสั้น ๆ ของเป้าหมายการเปลี่ยนเส้นทาง
ทฤษฎีการควบคุมการรับรู้ – ทฤษฎีทางจิตวิทยา
ตัวควบคุม PID – กลไกป้อนกลับของวงจรควบคุม
การควบคุมกระบวนการ – ศาสตร์ที่ใช้การควบคุมทางอุตสาหกรรมเพื่อให้ได้ระดับการผลิตที่สม่ำเสมอ
การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ – ชุดของขั้นตอนเพื่อการใช้งานที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
ตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ – คอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบโปรแกรมได้ที่ใช้ควบคุมเครื่องจักร
การประมวลผลแบบเรียลไทม์ – การศึกษาเกี่ยวกับระบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่มี "ข้อจำกัดด้านเวลาจริง"
ระบบข้อมูลตัวอย่าง
SCADA – สถาปัตยกรรมระบบควบคุมเพื่อการกำกับดูแลเครื่องจักรและกระบวนการ
VisSim – ซอฟต์แวร์สำหรับการจำลองระบบพลวัต

ลิงก์ภายนอก

SystemControlสร้าง จำลอง หรือควบคุมลูปควบคุม HWIL ด้วย Python รวมถึงตัวกรอง Kalman, การควบคุม LQG และอื่นๆ
การควบคุมการบินแบบกึ่งอัตโนมัติ - อ้างอิงจาก unmannedaircraft.org
ชุดเครื่องมือควบคุมระบบสำหรับการออกแบบและวิเคราะห์ระบบควบคุม
ผู้ผลิตระบบควบคุมออกแบบและผลิตระบบควบคุม
ฟังก์ชันของ Mathematica สำหรับการวิเคราะห์ การออกแบบ และการจำลองระบบควบคุม
ระบบควบคุมด้วย Python (PyConSys) สร้างและจำลองวงจรควบคุมด้วย Python พร้อม AI สำหรับตั้งค่าพารามิเตอร์ PID

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]