3.5 ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์

3.5.1 การควบคุมด้วย พีไอดี

      ระบบควบคุมแบบวนรอบปิด เป็นสิ่งหนึ่งที่จะกำหนดความแตกต่างในสภาพที่ต้องการ กับความผิดปกติ (Error) ที่เกิดขึ้นจริง และสร้างคำสั่งควบคุมการแก้ไขความผิดพลาดผิดปกตินี้

รูปผังการควบคุมพีไอดี

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      การควบคุมด้วยสัดส่วน ปริพันธ์ อนุพันธ์  หรือพีไอดี (Proportional–Integral–Derivative controller:  PID) แสดงให้เห็นสามวิธีในการมองความผิดปกติ และเพื่อการแก้ไขในความผิดปกตินั้น

คำแรกคือ P ของ พีไอดี คือ สัดส่วน (Proportional) คำนี้หมายถึง การดำเนินการควบคุมที่ทำโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นสัดส่วนต่อความผิดปกติ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง ความผิดปกติที่มีค่ามากขึ้น ก็พร้อมที่จะมีการแก้ไขที่เพิ่มขึ้น

      I ในพีไอดี คือ ปริพันธ์ (Integral) ของข้อผิดปกติ เมื่อเวลาผ่านไป จนถึงระยะที่สำคัญค่าหนึ่ง จะเกิดการสร้างพิจารณาการแก้ไขข้อผิดพลาดตามเวลาที่ได้รับในปัจจุบัน แต่ถ้าเกินเวลาที่ต้องแก้ไขตามที่ระบุไว้ จะเกิดความผิดปกติที่ยาวนานต่อเนื่อง การแก้ไขก็จะยากกว่า

      สุดท้าย D ในพีไอดี ย่อมาจากคำว่า อนุพันธ์ (Derivative) คำว่าอนุพันธ์ คือการดำเนินการแก้ไขเกี่ยวกับอนุพันธ์ที่สัมพันธ์กัน หรือการเปลี่ยนแปลงของความผิดปกติที่เกี่ยวกับเวลา กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความผิดปกติจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการแก้ไขที่มากกว่า

รูปตัวอย่างการควบคุมแบบพีไอดี

      ระบบควบคุมสามารถนำ พี, พีไอ, พีดี หรือพีไอดี มาใช้ในการสร้างเพื่อการแก้ไขปัญหา โดยทั่วไปก็คือ การจูนปรับ (Tuning) โดยการเลือกระบบที่มีค่าเหมาะสม ให้อยู่ในข้อกำหนดเหล่านี้ ส่วนรายละเอียดจะได้กล่าวถึงในเรื่อง การออกแบบควบคุม ในบทที่ 31

3.5.2 การควบคุมเชิงตรรกะ

      การศึกษาการควบคุมทางแมคาทรอนิกส์ ควรจะเริ่มต้นเป็นอันดับแรกก็คือหัวข้อนี้ เพื่อใช้อธิบายระบบการควบคุม และการควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ นั่นก็คือ การเรียนรู้เกี่ยวกับ การควบคุมเชิงตรรกะ หรือพีแอลซี (Programmable Logic Controller: PLC)

รูปตัวอย่างอุปกรณ์พีแอลซี

      พีแอลซี จะสามารถทำความเข้าใจได้ง่ายกว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีความคดเคี้ยวในการออกแบบ สำหรับการนำไปใช้งานในทางปฏิบัติ การป้อนข้อมูลมักมาจากใช้สวิตซ์ เช่น ปุ่มกด เพื่อนำมาใช้ควบคุมการทำงานของเครื่องจักรกล หรือเซ็นเซอร์ตามจุดตำแหน่งต่าง ๆ

รูปตัวอย่างการใช้ซอฟแวร์ควบคุมพีแอลซี

      ตัวตั้งเวลา (Timer) สามารถทำการโปรแกรมในพีแอลซีได้ เพื่อให้เกิดการทำงานในกระบวนการโดยเฉพาะ ตามจำนวนของการตั้งเวลา ส่วนขาออกจากการใช้งาน ตัวอย่างจะประกอบไปด้วย หลอดไฟ, โซลินอยด์วาล์ว และมอเตอร์ มีการทำงานด้วยขาเข้า-ขาออก ที่เชื่อมต่อกันทำได้จากการควบคุม

รูปตัวอย่างที่นำพีแอลซีไปควบคุมอุปกรณ์ต่าง ๆ

      ภาษาที่ใช้ในการโปรแกรมที่ใช้กับพีแอลซีอย่างง่าย เรียกว่า ตรรกะขั้นบันได (Ladder logic) หรือการโปรแกรมแบบขั้นบันได (Ladder programming) ตรรกะขั้นบันไดเป็นภาษาทางกราฟิกที่แสดงทางตรรกะที่มีการผสมผสานรวมกันของบล็อกแบบ อนุกรม (AND) และแบบ ขนาน (OR) ส่วนรายละเอียดที่มากกว่านี้ จะได้เรียนรู้ในบทที่ 43

รูปตัวอย่างการควบคุมแบบขั้นบันได

3.5.3 ไมโครโปรเซสเซอร์

      รายละเอียดของไมโครโปรเซสเซอร์มีมากมาย และจะได้เรียนรู้ในหัวข้อที่ 5.8 ในส่วนนี้ จะทำการอธิบายคร่าว ๆ ของไมโครโปรเซสเซอร์ และการควบคุม เราจำเป็นที่จะกล่าวถึงพอสังเขปเพื่อเข้าใจในชิ้นส่วนในทางสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์

รูปแรม

      การเข้าถึงหน่วยความจำแบบสุ่ม หรือแรม (Random Access Memory: RAM) เป็นส่วนหนึ่งของหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ เพื่อใช้สำหรับจัดเก็บความจำชั่วคราว ทำงานได้อย่างรวดเร็ว ยกตัวอย่างเช่น เมื่อเราทำงานกับคอมพิวเตอร์การพิมพ์งาน ป้อนคำสั่ง จะมีข้อมูลอยู่ ข้อมูลเหล่านี้จะไปเก็บไปที่แรมก่อน ก่อนที่จะไปสู่ส่วนจัดเก็บอื่น ๆ ถ้าขณะใช้งานไฟฟ้าเกิดดับ จนคอมพิวเตอร์ดับไปด้วย ข้อมูลเหล่านี้จะสูญหายไป 

รูปตัวอย่างรอม

รูปรอม กับแรม

      หน่วยความจำอ่านอย่างเดียว หรือรอม (Read Only Memory: ROM) เป็นหน่วยความจำแบบคงที่ มีโปรแกรมพื้นฐานเพื่อเรียกใช้คำสั่งในไมโครคอนโทรลเลอร์ ความจำจะไม่สูญเสียไปเมื่อถอดปลั๊กจ่ายไฟออก

      รอมมีอยู่หลายประเภท อาทิเช่น รอมที่สามารถโปรแกรม และลบข้อมูลได้ หรืออีพร็อม (Erasable Programmable ROM: EPROM), รอมที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อการลบ หรือการโปรแกรม หรืออีอีพร็อม (Electrically Erasable Programmable ROM: EEPROM) และหน่วยความจำแฟลช (Flash memory) (เป็นชนิดที่ใหม่กว่าอีอีพร็อม) ในรอมแต่ละประเภท จะได้อธิบายต่อไปในหนังสือเล่มนี้

รูปตัวอย่างรอมชนิดต่าง ๆ

รูปหน่วยความจำแฟลช

      ยังมีพื้นที่หน่วยความจำแบบพิเศษในไมโครโปรเซสเซอร์ที่เรียกว่า รีจีสเตอร์ (Registers) ตัวรีจีสเตอร์นี้เก็บความจำได้ไวมาก และเก็บได้เพียงชั่วคราว จะมีคำสั่งโปรแกรมในการดำเนินการชั่วคราว, มีค่าตัวกลางที่จำเป็นเพื่อใช้ในการคำนวณ, ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการเปรียบเทียบ และข้อมูลที่จำเป็นสำหรับขาเข้า หรือขาออก

รูปตัวอย่างผังทำงานของรีจีสเตอร์

      การเคลื่อนที่โยกย้ายข้อมูลในหน่วยความจำต่าง ๆ เหล่านี้ จากจุดหนึ่งไปยังจุดอื่น ๆ ทั้งในแรม, รอม และรีจีสเตอร์ ทำได้โดยการใช้เส้นทาง บัส (Bus) ในการรับส่งข้อมูลที่หลากหลายพร้อมกัน

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ขอให้กล้าที่จะก้าว

แม้จะเป็นก้าวที่ช้า ๆ

แต่ก็ยังดีกว่า

ยืนอยู่ที่เดิม”