การควบคุมแบบอัตโนมัติ (Automatic Control)

---

การควบคุมแบบดั้งเดิมที่เป็น Manual Control คือ ใช้มนุษย์เป็นผู้ควบคุมทั้งหมด เช่น ปิด-เปิด วาล์วเองกดสวิตช์ หรือ ปุ่มจ่ายไฟเอง ในบัจจุบันได้ถูกแทนที่ด้วยการควบคุมแบบอัตโนมัตแล้วทั้งสิ้นเนื่องจากมีต้นทุนต่ำกว่า และมีเสถียรภาพสูงกว่า การควบคุมดังกล่าวจะเป็นลักษณะของการควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) คือ มีการวัดและส่งค่าที่วัดกลับมายังส่วนควบคุม เพื่อคำนวณ และจ่ายสัญญาณควบคุมที่เหมาะสมไปยังอุปกรณ์ใช้งาน จากที่กล่าวมาการควบคุมแบบอัตโนมัติ จะต้องประกอบด้วย 3 ภาคเสมอ คือ

1. ภาคการวัด
   เช่น เทอร์โมคัปเปิล, หัววัดความชื้น มีหน้าที่วัดค่าที่โพรเซสแล้วส่งมายังภาคควบคุม
2. ภาคควบคุม
   เช่น เครื่องควบคุมอุณหภูมิ มีหน้าที่รับค่าจากภาควัด นำมาคำนวณแล้วส่งให้ภาคจ่าย
3. ภาคจ่าย
   เช่น ระบบทำความร้อน ตัวจ่าย คือ ฮีตเตอร์ ในระบบควบคุมอัตราการไหล ตัวจ่ายคือ วาล์วเป็นต้น มีหน้าที่เพีอหรือลดค่าที่ควบคุมอยู่ บางครั้งก็เรียกตัวจ่ายเหล่านี้ว่า Final Element

กำหนดให้

• SP คือ Setpoint หรือ ค่าที่ต้องการควบคุม เช่น ต้องการต้มน้ำที่ 100 C
• PV คือ Process Variable หรือ ค่าที่วัดมาจาก โพรเซส เช่น อุณหภูมิในถังน้ำที่อุณหภูมิปกติเป็น 30 C
• MV คือ Manipulated Variable หรือ สัญญาณควบคุมที่เครื่องควบคุมคำนวณได้มีหน่วยเป็น % (0-100 %)
• E คือ Error หรือ ผลต่างระหว่างค่าที่ต้องการควบคุมกับค่าที่วัดได้ (E = SP-PV)

---

การควบคุม

1. การควบคุมแบบ ON/OFF
   ใช้การ On/Off เมื่ออุณภูมิต่ำหรือสูงกว่า Set Point ค่า Error ของอุณหภูมิของค่า Pv จากค่า Set Point เพียงเล็กน้อย
2. การควบคุมแบบ PID
   ทำให้ค่า PV เกิด ค่า Error จาก Set Point น้อยมาก
3. การควบคุมแบบ PD
   มีลักษณะคล้าย PID แต่ประสิทธิภาพด้อยกว่า
4. การควบคุมแบบ 2-PD
   ควบคุมคล้าย PID เพิ่มความาสามารถคาดเดาค่าอุณหภูมิจริงที่เกิดขึ้นได้ ค่า PV ทำให้สามารถควบคุม ค่า PV ได้แม่นยำขึ้น
5. การควบคุมแบบ FUZZY
   ค่า PV มีค่าใกล้เคียงค่า Set Point หากมีการเปลี่ยนแปลงจากปัจจัยอื่น ๆ ที่ทำให้ค่า PV เปลี่ยนแปลงจากค่า Set Point ฟังก์ชั่นนี้จะช่วยปรับค่า PV ใกล้เคียงกับค่า Set Point

การควบคุมแบบ ON - OFF หรือ TWO - Position ConTrol

ในระบบควบคุมแบบ ON-OFF เครื่องควบคุมจะสั่งเอาท์พุตทำงานเพียง 2 สภาวะเท่านั้น คือ ON และ OFF เป็นการควบคุมแบบง่ายๆ และราคาไม่แพง ดังนั้น จึงนิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในงานควบคุมทางอุตสาหกรรม ในกรณีที่ผลจากการแกว่งของอุณหภูมิเป็นที่ยอมรับได้

กำหนดให้สัญลักษณ์เอาท์พุตของเครื่องควบคุมเป็น MV และผลต่างระหว่าง SV กับ PV เป็น E (Error) ฉะนั้นในการควบคุมแบบ ON-OFF สัญญาน MV จะมีค่าเป็น 100% (ON) หรือ 0% (OFF) เท่านั้น โดยจะขึ้นอยู่กับว่า E มีค่าเป็น + หรือเป็น - นั่นคือ

• MV = 100% (ON) เมื่อ E > 0 (PV < SP)
• MV = 0% (OFF) เมื่อ E < 0 (PV > SP)

รูปแสดง การควบคุมแบบ ON - OFF

ในกรณีอุณหภูมิที่โพรเซสมีการกระเพื่อมที่ Setpoint จะมีผลทำให้เอาท์พุตของเครื่องควบคุม ON และ OFF อยู่ตลอดเวลา ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยกำหนด Hysteresis หรือ Differential gap หรือ Dead band เพื่อลดการตัด-ต่อที่เกิดขึ้น แต่ผลเสียคือจะทำให้เกิด Overshoot มากขึ้น

รูปแสดง การคววบคุมแบบ ON - OFF โดยมี Hysteresis

ลักษณะของ ON - OFF Control คือจะเกิดการแกว่งของอุณหภูมิ (Oscillation) อยู่ตลอดเวลา โดยในกรณีที่มี Hysterresis ความถี่ในการตัดต่อจะลดลง แต่ค่า Overshoot จะมากขึ้น ในระบบที่ช้า คาบในการแกว่งจะยาวกว่าในระบบที่เร็วกว่า

---

จุดมุ่งหมายของการควบคุม

จุดมุ่งหมายของการควบคุม คือ พยายามรักษาค่า PV ให้มีค่าเท่ากับ SP อยู่ตลอดเวลา เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นในระบบ เช่น Load เปลี่ยน, มี Disturbance หรือมีการเปลี่ยนค่า Setpoint ค่า PV จะไม่เท่ากับค่า SP (เกิด Error ขึ้น) อยู่ขณะหนึ่ง แล้วครื่องควบคุมจะต้องสามารถควบคุมให้ค่า PV สามารถเข้าสู่ Setpoint ให้ได้ โดยลักษณะในการนำค่า PV ไปสู่ค่า SP จะแตกต่างกันตามลักษณะของค่า PID ที่ตั้งไว้ ระบบใด ๆ อาจรักษาค่า PV ไว้ที่ Setpoint ได้เหมือนกัน แต่ผลตอบสนองของระบบหนึ่งอาจเร็วกว่า และมี Over-shoot น้อยกว่า นั่นแสดงว่าระบบนั้นมีการควบคุมที่ดีกว่า ถึงแม้ที่เวลาสุดท้ายทั้ง 2 ระบบจะมีความเสถียรภาพเหมือนกัน ดังนั้นจะเห็นได้ว่าถึงแม้จุดประสงค์หลักของการควบคุมระบบใด ๆ คือ เสถียรภาพหรือการรักษาค่า PV ไว้ที่ Setpoint ให้ได้ก็ตาม แต่ในความเป็นจริงการควบคุมที่ดีจะต้องมองถึงลักษณะของผลตอบสนองด้วย จึงเป็นสาเหตุที่ต้องมีการศึกษาลักษณะของโพรเซส และปรับค่า PID ให้เหมาะสมกับโพรเซสนั้น ๆ เพื่อให้มีผลตอบสนองที่ดีที่สุด สามารถระบุลักษณะของการควบคุมที่ดีได้ดังนี้

1. ระบบมีเสถียรภาพ (Stsble) สามารถรักษาค่า PV ไว้ที่ Setpoint ได้
2. ระบบมีการตอบสนองเร็ว
3. ระบบไม่แกว่ง มีค่า Overshoot น้อย
4. ไม่เกิด Offset ที่สภาวะสุดท้าย
5. ระบบสามารถรองรับการเกิด Disturbance หรือการเปลี่ยนค่า Setpoint ได้

การปรับค่า PID ที่โพรเซสหนึ่งแล้วมีผลตอบสนองที่ดี เมื่อนำค่า PID นี้ไปใช้กับอีกโพรเซสหนึ่ง อาจได้ผลตอบสนองที่ไม่ดีก็ได้ ผลของการปรับค่า PID มีดังนี้

ผลของ P action

สามารถเพิ่มผลของ P action ได้โดยลดค่า PB ลง จะมีผลทำให้

• มีค่า Offset น้อยลง
• มี Overshoot สูงขึ้น เกิดการแกว่งมากขึ้น
• ระบบขาดเสถียรภาพมากขึ้น ถ้าลดค่า PB มากเกินไป จะทำให้ระบบ Oscillate

ผลของ I action

สามารถเพิ่มผลของ I action ได้โดยลดค่า T_I ลง จะมีผลทำให้

• ไม่มี Offset
• มี Overshoot สูงขึ้น เกิดการแกว่งมากขึ้น
• ระบบขาดเสถียรภาพมากขึ้น ถ้าลดค่า T_I มากเกินไป จะทำให้ระบบ Oscillate หรือ Unstable

ผลของ D action

สามารถเพิ่มผลของ D action ได้โดยเพิ่มค่า T_D ลง จะมีผลทำให้

• มี Overshoot ลดลงมีคาบการแกว่งสั้นลง
• ระบบมีเสถียรภาพมากขึ้น ไวขึ้น
• ในระบบที่เร็วอยู่แล้ว จะขาดเสถียรภาพ