525311: Automatic Control Systems School of Mechanical Engineering

Prescribed text :Norman S Prescribed text :Norman S.Nise, Control Systems Engineering: Fifth Edition, John Wiley & Sons, 2007 Recommended reading : รศ.นท.ดร.สราวุฒิ สุจิตจร, การควบคุมอัตโนมัติ , ซีเอ็ด พ.ศ.2546 Richard C. DORF and Robert H. BISHOP, Modern Control Systems, Ninth Edition, Prentice Hall,2001 W.Bolton, Control Engineering: Longman, 1998 Katsushiko OCATA, Modern Control Engineering, Fifth Edition, Pearson, 2010

Control System Designs Basic Control System Concepts Transfer Functions of Physical Systems State Equations for Physical Systems Transient Response, Stability Forced Response Errors Design Using Sinusoidal Tools Design Using State Equations

Basic Control System Concepts

History of Control System 1728 – Jame Watt Flyball governor

History of Control System 1769 – Jame Watt 1868 – James Clark Mexwell 1877 – Routh’s Stability Criterion 1890 - Liapunov M.A. 1932 – H.Nyquist 1934 – H.W.Bode 1947 – Nichols chart 1948 – W.R.Evans 1954 – George Devol

History of Control System 1956 – 1969 Optimal control, Dynamic program, Optimization system, Fuzzy logic 1970 – 1979 State space model, Adaptive control 1980 – 1989 Robustness control, AI 1990 – 1999 Robot development and application

Introduction to Control System Design วิศวกรมีความพยายามที่จะเข้าใจและควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ รอบตัวอยู่เสมอ เพื่อสามารถนำมันมาใช้ประโยชน์ให้กับมนุษยชาติได้ โดยทั่วไปแล้วระบบ (system) ในธรรมชาติเป็นสิ่งที่เราไม่เข้าใจการทำงานของมันอย่างถ่องแท้ เหมือนกับเป็นกล่องดำที่เราทราบแต่เพียงว่าหากมีข้อมูลการกระตุ้นหรือรบกวนระบบหรือเราอาจเรียกว่า อินพุท (input) และเราทราบว่าระบบจะมีการตอบสนอง หรือให้ผลลัพธ์ออกมาซึ่งเราเรียกว่า เอาท์พุท (output) ดังนั้นในหลายกรณีแทนที่วิศวกรจะพยายามที่จะทำความเข้าใจกับระบบอย่างแท้จริง วิศวกรจะเลี่ยงไปทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างอินพุทและเอาท์พุทของระบบมากกว่า เพื่อที่จะหาวิธีการกำหนดอินพุทให้กับระบบเพื่อที่จะให้ระบบมีเอาท์พุทตามที่ต้องการได้ อย่างไรก็ตามในการศึกษาวิธีการควบคุมระบบเรามีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจการทำงานของระบบ แม้ว่าในหลายกรณีระบบที่เราสนใจจะมีความซับซ้อนมากก็ตาม เราอาจต้องใช้วิธีการจำลอง (Model) การทำงานของระบบขึ้นมา ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการจำลองระบบ (System modeling) จะเป็นการประมาณและกำหนดข้อจำกัดบางอย่างขึ้นมา เพื่อให้ระบบสามารถที่จะจำลองเป็นสมการคณิตศาสตร์ที่สามารถเข้าใจได้ Process to be controlled

Introduction to Control System Design Mathematical Model of Systems Relationship between input and output Test inputs

Control System Designs Open-loop Control Actuating device / actuator

Control System Open-loop Control

Control System Closed-loop Control or Feedback Control

Control System Closed-loop Control (Feedback Control)

Closed-loop Control Comparison Element Control Element Correction Element Process Element Measure Element Comparison Element ส่วนนี้จะทำหน้าที่เปรียบเทียบค่าตัวแปรที่เราต้องการออกมา หรืออาจเรียกว่าค่ามาตรฐานของตัวแปรที่เราต้องการเพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่เราวัดค่าตัวแปรนั้นได้ในสภาพความเป็นจริง ซึ่งเป็นค่าที่เป็นเอาท์พุทของระบบ ส่วนนี้จะให้สัญญาณหรือค่าความผิดพลาดออกมา ซึ่งความผิดพลาดนี้จะบอกให้ทราบว่าขณะนี้ค่าตัวแปรที่ต้องการควบคุมนั้นมีค่าอยู่แตกต่าง จากค่าที่เราต้องการให้มันเป็นเท่าใด นั่นคือ ความผิดพลาด = ค่าสัญญาณอ้างอิง - ค่าสัญญาณที่วัดได้

Control System SISO (Single Input Single Output) Multivariable Control System

Multivariable Control System

Control Engineering Analysis Design Stability Dynamic Response and Performance Indices  Speed  Accuracy Tolerance Design

Engineering Design Specification Complexity of Design Trade-Off Design Gabs Risk Optimize the parameters

Examples of control systems Turntable speed control (Open-loop control)

Examples of control systems Turntable speed control (Closed-loop control)

Examples of control systems

ระบบควบคุมการเปิดน้ำเข้าสู่ถังแบบปิด Controlled variable ระดับน้ำในถังเก็บ Reference valve ระดับน้ำที่ต้องการในถัง ซึ่งอาจจะกำหนดด้วยขีดบนถังเก็บ Comparison element ผู้ควบคุม Error signal ความแตกต่างระหว่างระดับน้ำในถัง กับระดับน้ำที่ต้องการ Control element Correction element วาล์วน้ำ Process ปริมาณน้ำในถัง Measuring device ตาของผู้ควบคุมที่ใช้การมองระดับน้ำ

Examples of control systems Speed Control System

Examples of control systems Temperature control system

Examples of control systems A three-axis control system

Examples of control systems Water-level float regulator

Examples of control systems Hydraulic actuator with valve

HDD

Examples of control systems Coordinated control system for a boiler-generator

ADVANTAGES OF CONTROL SYSTEMS Power amplification Remote control Convenience of input form Compensation for disturbances

ADVANTAGES OF CONTROL SYSTEMS For example, a radar antenna, positioned by the low-power rotation of a knob at the input, requires a large amount of power for its output rotation. A control system can produce the needed power amplification, or power gain. Robots designed by control system principles can compensate for human disabilities. Control systems are also useful in remote or dangerous locations. A robot arm designed to work in contaminated environments. Control systems can also be used to provide convenience by changing the form of the input. For example, in a temperature control system the input is a position on a thermostat. The output is heat. Thus, a convenient position input yields a desired thermal output.

ADVANTAGES OF CONTROL SYSTEMS The system must be able to yield the correct output even with a disturbance. For example, consider an antenna system that points in a commanded direction. If wind forces the antenna from its commanded position, or if noise enters internally, the system must be able to detect the disturbance and correct the antenna’s position.

Antenna Azimuth: An Introduction to Position Control Systems

THE DESIGN PROCESS STEP 1: TRANSFORM REQUIREMENTS INTO A PHYSICAL SYSTEM STEP 2: DRAW A FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM STEP 3: CREATE A SCHEMATIC STEP 4: DEVELOP A MATHEMATICAL MODEL (BLOCK DIAGRAM) STEP 5: REDUCE THE BLOCK DIAGRAM STEP 6: ANALYZE AND DESIGN

THE DESIGN PROCESS

THE CONTROL SYSTEMS ENGINEER Control systems engineering is an exciting field in which to apply your engineering talents, because it cuts across numerous disciplines and numerous functions within those disciplines. The control engineer can be found at the top level of large projects, engaged at the conceptual phase in determining or implementing overall system requirements. These requirements include total system performance specifications, subsystem functions, and the interconnection of these functions, including interface requirements, hardware and software design, and test plans and procedures.