ภาพรวมระบบอัตโนมัติ

ทำไมต้องรู้

โดรนที่ลอยนิ่งกลางลม สายพานในโรงงานที่หยุดเมื่อมีกล่องตกขวาง และเครื่องปรับอากาศที่รักษาอุณหภูมิห้อง ล้วนทำงานด้วยหลักเดียวกัน คือ วัด ตัดสินใจ แล้วกระทำ ซ้ำไปเรื่อย ๆ ผู้ที่เข้าใจหลักนี้จะอ่านระบบอัตโนมัติชนิดใดก็ได้ ตั้งแต่เครื่องจักรในโรงงานจนถึงตัวควบคุมการบินของโดรน

ทั้งวิชาใช้กรณีสมมติเดียว: สถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่โดรนอัตโนมัติ ที่มีสายพานลำเลียงแบตเตอรี่ เซนเซอร์ตรวจว่ามีโดรนลงจอดและมีแบตเตอรี่ แขนกลแบบนิวแมติก ตู้ชาร์จที่ต้องคุมอุณหภูมิ และปุ่มหยุดฉุกเฉิน สถานีลักษณะนี้ใช้จริงกับโดรนที่ต้องบินต่อเนื่อง เช่น งานเฝ้าระวังพื้นที่ โค้ด Python ของทุกโมดูลดาวน์โหลดได้ที่ /downloads/uat-202/

องค์ประกอบของระบบอัตโนมัติ

• เซนเซอร์ (sensor) แปลงสิ่งที่วัดเป็นสัญญาณไฟฟ้า เช่น เซนเซอร์ตรวจว่ามีแบตเตอรี่อยู่บนสายพาน หรือเซนเซอร์อุณหภูมิในตู้ชาร์จ
• ตัวควบคุม (controller) เปรียบเทียบสิ่งที่วัดได้กับค่าที่ต้องการ (setpoint) แล้วตัดสินใจ เช่น PLC หรือไมโครคอนโทรลเลอร์
• แอคชูเอเตอร์ (actuator) แปลงคำสั่งเป็นการกระทำ เช่น มอเตอร์ วาล์วลม หรือพัดลม
• กระบวนการ (process) สิ่งที่ถูกควบคุม เช่น ความเร็วสายพานหรืออุณหภูมิตู้ชาร์จ
• สิ่งรบกวน (disturbance) สิ่งที่เปลี่ยนกระบวนการโดยเราไม่ได้สั่ง เช่น แบตเตอรี่หนักขึ้นบนสายพาน

วงเปิดกับวงป้อนกลับ

วงเปิด (open loop) สั่งตามแผนโดยไม่วัดผล เหมือนเครื่องปิ้งขนมปังที่ตั้งเวลาไว้ ไม่ว่าขนมปังจะสุกแล้วหรือยัง วงป้อนกลับ (closed loop) วัดผลแล้วแก้คำสั่งตาม ค่าผิดพลาด $e=r-y$ คือค่าที่ต้องการลบค่าที่วัดได้

def conveyor(kp, t_end=20.0, dt=0.01):
    v, tau, k, target, u0 = 0.0, 0.5, 0.25, 0.5, 2.0   # m/s, s, (m/s)/V, m/s, V
    speeds, t = {}, 0.0
    while t <= t_end + 1e-9:
        load = 0.1 if t >= 10 else 0.0                    # โหลดเพิ่มที่ 10 s
        u = u0 + kp * (target - v)                         # kp = 0 คือวงเปิด
        v += dt * (k * u - load - v) / tau
        for mark in (9.99, 20.0):
            if abs(t - mark) < dt / 2:
                speeds[mark] = v
        t += dt
    return speeds


for kp in (0, 8, 40):
    s = conveyor(kp)
    label = "open loop" if kp == 0 else f"feedback Kp={kp}"
    print(f"{label:<17} before load {s[9.99]:.3f} m/s, after load {s[20.0]:.3f} m/s")

open loop         before load 0.500 m/s, after load 0.400 m/s
feedback Kp=8     before load 0.500 m/s, after load 0.467 m/s
feedback Kp=40    before load 0.500 m/s, after load 0.491 m/s

ระดับในโรงงานตาม ISA-95

มาตรฐาน ISA-95 (IEC 62264) แบ่งระบบในองค์กรเป็นระดับ ช่วยให้รู้ว่าอุปกรณ์แต่ละตัวทำหน้าที่ใดและคุยกับใคร

สถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่ของเรามีเซนเซอร์และแอคชูเอเตอร์ (ระดับ 1) PLC และจอควบคุม (ระดับ 2) ส่วนระบบจัดตารางภารกิจของโดรนทั้งฝูงเทียบได้กับระดับ 3

มนุษย์อยู่ตรงไหน

ระบบอัตโนมัติไม่ได้มีแค่ “คนทำ” หรือ “เครื่องทำ” Sheridan และ Verplank (1978) เสนอสเกลสิบระดับ ตั้งแต่มนุษย์ทำทุกอย่าง จนถึงคอมพิวเตอร์ตัดสินใจเองโดยไม่บอกมนุษย์ ส่วน Parasuraman, Sheridan และ Wickens (2000) แยกงานเป็นสี่ขั้น คือ รับข้อมูล วิเคราะห์ ตัดสินใจ และลงมือ แต่ละขั้นอัตโนมัติมากน้อยต่างกันได้

ตัวอย่างในโดรน ตัวควบคุมการบินรักษาท่าทางเองเต็มที่ แต่การตัดสินใจเริ่มภารกิจยังเป็นของผู้บังคับ การเลือกระดับที่เหมาะต้องคิดถึงผลเมื่อระบบผิดพลาด และมนุษย์ต้องเข้าใจพอจะรับช่วงได้

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• ระบบอัตโนมัติมีเซนเซอร์ ตัวควบคุม แอคชูเอเตอร์ และกระบวนการ ทำงานเป็นวงรับรู้ ตัดสินใจ และกระทำ
• วงเปิดไม่วัดผล จึงรับมือสิ่งรบกวนไม่ได้ วงป้อนกลับแก้คำสั่งตามค่าผิดพลาด
• ISA-95 แบ่งระบบเป็นระดับ 0 ถึง 4 ตั้งแต่กระบวนการจริงถึงระบบธุรกิจ
• ระดับความเป็นอัตโนมัติเลือกได้ต่างกันในแต่ละขั้นงาน และมนุษย์ต้องรับช่วงได้

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. เครื่องปิ้งขนมปังที่ตั้งเวลาไว้เป็นวงเปิดหรือวงป้อนกลับ
2. ค่าที่ต้องการ 0.5 m/s วัดได้ 0.42 m/s ค่าผิดพลาดเท่าใด
3. ในตัวอย่างที่ 1 ถ้า $K_p=8$ และค่าผิดพลาด 0.03 m/s คำสั่งแรงดันเพิ่มขึ้นจาก $u_0$ เท่าใด
4. PLC ที่ควบคุมสายพานอยู่ระดับใดของ ISA-95
5. ทำไมวงเปิดจึงรับมือสิ่งรบกวนไม่ได้