1.บทนำ

.

ในปัจจุบันได้มีการนำคอมพิวเตอร์มาใช้ในการควบคุมอุปกรณ์ต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมกันอย่างแพร่หลาย เช่น ระบบควบคุมในรถยนต์ ระบบควบคุมกระบวนการ และ ระบบควบคุมหุ่นยนต์เป็นต้น แต่ขบวนการในการเขียนซอฟต์แวร์เพื่อวิเคราะห์ระบบ และ ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถติดต่อและควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ได้นั้น ผู้ที่ทำการเขียนซอฟต์แวร์จะต้องมีความรู้ทั้งทางด้านซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์เป็นอย่างดี อีกทั้งการเขียนซอฟต์แวร์ยังเป็นลักษณะการเขียนแบบฮาร์ดโค้ด ทำให้การนำคอมพิวเตอร์มาควบคุมอุปกรณ์ต่างๆมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลาในการออกแบบนานเพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าวจึงได้มีการพัฒนาซอฟต์แวร์ MATLAB/SIMULINK ขึ้น โดยใช้ลักษณะการเขียนโปรแกรมร่วมกันระหว่างฮาร์ดโค้ดและบล็อกไดอะแกรม  ช่วยลดปัญหาการเขียนโปรแกรมแบบเดิมลงได้มาก อีกทั้งยังสามารถนำบล็อกไดอะแกรมที่สร้างขึ้นมานำกลับมาใช้ใหม่ได้ จึงทำให้ MATLAB/SIMULINK เป็นที่นิยมกันอย่างกว้างขวางทั้งในอุตสาหกรรมและการศึกษา

.

อย่างไรก็ตามถึงแม้ MATLAB/SIMULINK จะสามารถใช้งานด้านการควบคุมแบบเวลาจริงได้ดี แต่ก็ยังมีข้อด้อยอื่นๆ เช่น การปรับแต่งซอฟต์แวร์ค่อนข้างซับซ้อน การ์ดอินเตอร์เฟสที่สามารถใช้ร่วมกับ MATLAB/SIMULINK  มีค่อนข้างจำกัด และการเขียนดีไวด์ไดร์เวอร์เองทำได้ยาก ดังนั้นจึงได้มีการผลิตซอฟต์แวร์อื่นๆ ขึ้นมาใช้ร่วมกับ MATLAB/SIMULINK เพื่อแก้ไขข้อด้อยดังกล่าว

.

ในบทความนี้จะได้ศึกษาซอฟต์แวร์ที่ผลิตขึ้น เพื่อใช้ร่วมกับMATLAB/SIMULINKในการติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอกคอมพิวเตอร์และทำให้ MATLAB/SIMULINK ทำงานแบบเวลาจริงได้ ซอฟต์แวร์ดังกล่าวคือ xPC Target, IOlib–Hardware Input/Output Library for MATLAB/SIMULINK และ Real–Time Interface (RTI) โดยจะนำเสนอรูปแบบและวิธีการประยุกต์ใช้ซอฟต์แวร์ดังกล่าว ร่วมกับการทดลองกับอุปกรณ์ทดลองต่างๆ เช่น การควบคุมแขนกล การควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และการควบคุมลูกตุ้มผกผัน

.

บทความนี้มีรายละเอียดดังนี้ ในส่วนที่ 2 นำเสนอซอฟต์แวร์ xPC Target, ส่วนที่ 3 นำเสนอซอฟต์แวร์ IOlib–Hardware Input/Output Library for MATLAB/SIMULINK, ส่วนที่ 4 การนำเสนอซอฟต์แวร์ Real–Time Interface (RTI), ในส่วนที่ 5 การเปรียบเทียบซอฟต์แวร์ต่างๆ และในส่วนที่ 6 เป็นการสรุปผล

.

2. xPC Target

2.1 รูปแบบการใช้งาน xPC Target [8] เป็นซอฟต์แวร์ที่ทางบริษัท MathWorks เป็นผู้ผลิตซอฟต์แวร์ MATLAB/SIMULINK ทำการผลิตออกมาเอง เพื่อทำให้ MATLAB/SIMULINK สามารถควบคุมอุปกรณ์ภายนอกคอมพิวเตอร์ได้แบบเวลาจริง ในการใช้งาน xPC Target นั้นจะต้องมีเครื่องที่เป็น Target ไว้ใช้สำหรับในการดาวน์โหลดโค้ดที่เขียนขึ้นมาจากคอมพิวเตอร์หลัก  เครื่องที่เป็น Target นั้นสามารถเป็นได้หลายรูปแบบ เช่น คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ PC/104 หรือ Single Board Computer ก็ได้ เนื่องจากเครื่องที่เป็น Target  ไม่ได้ใช้ระบบปฏิบัติการ วินโดส์ทำให้สามารถกำหนดคาบเวลาในการสุ่มได้ต่ำเป็น ระดับไมโครวินาที ในส่วนของฮาร์ดแวร์ที่ต้องมีในการใช้ xPC Target คือ พอร์ตอนุกรม ซีพียูระดับแพนเทียม คีย์บอร์ด เมาส์ Floppy disk drive แรมขนาดไม่ต่ำกว่า 8 MB ในส่วนของซอฟต์แวร์จะต้องมีเพิ่มเติมคือ MATLAB/SIMULINK, Real–Time Workshop toolbox, Watcom C/C++ หรือ Microsoft C/C++

.

2.2 การประยุกต์ใช้ xPC Target  ในการประยุกต์ใช้ xPC Target นั้น ทางทางสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) ได้ทำการทดลองใช้ xPC Target เป็นตัวควบคุมแบบทำซ้ำในเวลาจริง[1][2] เพื่อควบคุมตำแหน่งของหุ่นยนต์สกาล่าดังรูปที่ 1

.

รูปที่ 1 แสดงหุ่นยนต์สองแกนแบบสกาล่าที่ใช้ในการทดลอง

.

จากการทดลองพบว่าสามารถลดค่าความผิดพลาดของตำแหน่งลงได้เป็นอย่างมากเมื่อเทียบกับงานวิจัยก่อนหน้านี้ ในการใช้งาน xPC Target นั้น  พบว่าเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์บางบล็อกจะต้องมีการคอมไพล์ไฟล์ใหม่ทุกครั้ง ทำให้เสียเวลาในการคอมไพล์ และ บล็อกใน SIMULINK [7] บางบล็อกก็ไม่สามารถใช้ร่วมกับ xPC Target ได้ ส่วนคาบเวลาในการสุ่มจะได้ต่ำสุดเป็นเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับ ความซับซ้อน ของโมเดลที่สร้างขึ้น การสังเกตค่าที่เปลี่ยนแปลงไปขณะควบคุมสามารถดูได้จาก xPC Target Scope จะแสดงที่เครื่อง Target ส่วนการเก็บค่าที่ได้จากการทดลองจะต้องรอให้เครื่อง Target  ทำงานเสร็จเรียบร้อยเสียก่อนจึงจะสามารถดึงข้อมูลที่เก็บไว้มาดูที่ Host PC ได้

.

3.IOlib–Hardware Input/Output Library for MATLAB/SIMULINK

3.1 รูปแบบการใช้งาน IOlib  ผู้ที่เขียนซอฟต์แวร์ไลบารี นี้คือ Professor Dr.-Ing. Werner Zimmermann (http://www.it.fht-esslingen.de/~zimmerma/) โดยที่ซอฟต์แวร์นี้จะทำให้สามารถกำหนดพอร์ต I/O และ หน่วยความจำ I/O ของฮาร์ดแวร์ได้โดยตรงจาก MATLAB/SIMULINK รวมทั้งสามารถใช้งานอินเตอร์รัปต์และไทเมอร์ ได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังมีบล็อกพิเศษใน SIMULINK ที่ทำให้ SIMULINK สามารถทำงานในลักษณะเวลาจริงได้ รวมทั้งยังมีบล็อกสำหรับรับส่งข้อมูลโดยการเชื่อมต่อแบบ TCP/IP ไลบารีดังกล่าวสามารถใช้งานได้ทั้งบน Windows 9x และ Windows NT การใช้งานก็เพียงแต่ทำการติดตั้งซอฟต์แวร์ในโฟเดอร์ที่ต้องการจากนั้นก็เซ็ตอับให้ Windows และ MATLAB รู้จักโฟเดอร์ดังกล่าวก็เป็นอันใช้ได้แล้ว  ซอฟต์แวร์นี้ไม่จำเป็นต้องมีเครื่องที่เป็น Target  เพราะจะใช้ Host PC เป็นทั้งตัวควบคุมและ ตัวเขียนโปรแกรม

.

รูปที่ 2 แสดงบล็อกไลบารีของ IOlib

.

3.2 การประยุกต์ใช้ IOlib  ในการประยุกต์ใช้ IOlib นั้น  ได้ทำการออกแบบตัวควบคุม PD และ ตัวควบคุมแบบฟัซซี ในการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง รวมทั้งได้ออกแบบตัวควบคุมแบบฟัซซีในการควบคุมลูกตุ้มผกผัน รูปของอุปกรณ์ทดลองแสดงดังรูปที่ 3 และ 4

.

.

รูปที่ 3 แสดงชุดทดลองการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

.

รูปที่ 4 แสดงชุดทดลองการควบคุมลูกตุ้มผกผัน

.

สำหรับการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนั้น ในส่วนของการออกตัวตัวควบคุมแบบ PD ใช้วิธีการของ Ziegler-Nicholes Rules [3] ส่วนตัวควบคุมแบบฟัซซีใช้วิธีกำหนดอินพุตเป็นค่าความผิดพลาด และ อัตราการเปลี่ยนแปลงของความผิดพลาด [4] และใช้ Fuzzy Toolbox ในการสร้างตัวควบคุมแบบฟัซซี ในการทดลองกำหนดให้คาบเวลาในการสุ่มคือ 10 ms ผลการทดลองเป็นตามรูปที่ 5 

.

รูปที่ 5 แสดงผลการทดลองการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

.

จากผลการทดลอง  พบว่าตัวควบคุมแบบฟัซซีให้ค่าความผิดพลาดน้อยกว่าตัวควบคุมแบบ PD ทั้งนี้ เนื่องมาจากตัวควบคุมแบบฟัซซีมีลักษณะเป็นตัวควบคุมที่ไม่เป็นเชิงเส้นจึงสามารถกำจัดค่าความผิดพลาดอันเนื่องมาจากความไม่เป็นเชิงเส้นได้ดีกว่าตัวควบคุมแบบ PD

.

ส่วนการควบคุมลูกตุ้มผกผันนั้น  ตัวควบคุมแบบฟัซซีใช้หลักการของ Virtual target angle [5] ในการออกแบบตัวควบคุมแบบฟัซซีและใช้ Fuzzy Toolbox ในการสร้างตัวควบคุมแบบฟัซซี ส่วนคาบเวลาในการสุ่มกำหนดให้เท่ากับ 8 ms ผลการทดลองเป็นไปตามรูปที่ 6

.

รูปที่ 6 แสดงผลการทดลองการควบคุมลูกตุ้มผกผัน

.

จากผลการทดลองควบคุมลูกตุ้มผกผัน  พบว่าตัวควบคุมแบบฟัซซีให้ผลการควบคุมเป็นที่หน้าพอใจทั้งตำแหน่งของลูกตุ้มและตำแหน่งของตัวรถ

.

จากการทดลองทั้ง 2 กรณีข้างต้นพบว่าซอฟต์แวร์ IOlib สามารถทำให้ SIMULINK ทำงานแบบเวลาจริงได้ดีพอสมควร อีกทั้งเมื่อเปลี่ยนค่าพารามิเตอร์ของโมเดลที่สร้างขึ้น  ไม่มีการคอมไพล์ไฟล์ใหม่และบล็อกทุกบล็อกใน SIMULINK สามารถใช้ร่วมกับ IOlib ได้อย่างไม่มีปัญหาทำให้ประหยัดเวลาในการที่จะต้องแปลงโค้ดที่เขียนอยู่ในรูปของ m files ไปเป็นบล็อกไดอะแกรมอีกทีหนึ่ง และเนื่องจาก IOlib ไม่ยึดติดกับการ์ดอินเตอร์เฟสของผู้ผลิตรายใด ทำให้สามารถสร้างการ์ดอินเตอร์เฟสเองขึ้นมาได้แล้วใช้ IOlib ในการติดต่อกับการ์ดที่ทำขึ้นเองได้อย่างไม่ยากนัก ข้อด้อยของ IOlib คือจะต้องทำงานในระบบปฏิบัติการวินโดวส์ทำให้คาบเวลาในการสุ่มต่ำสุดคือ 1 ms อย่างไรก็ตาม IOlib เป็นซอฟต์แวร์ที่แจกฟรีจึงเหมาะสมกับผู้ที่เริ่มต้นเรียนรู้การประยุกต์ใช้ MATLAB/SIMULINK ในการควบคุมแบบเวลาจริง และเหมาะสำหรับงานควบคุมที่ไม่ต้องการคาบเวลาสุ่มต่ำนัก

.

4. Real – Time Interface (RTI)

4.1 รูปแบบการใช้งาน Real–Time Interface (RTI) [6] เป็นซอฟต์แวร์ที่ทางบริษัท dSPACE (www.dspace.de) เป็นผู้ผลิตเพื่อทำให้ SIMULINK สามารถสั่งงานการ์ดควบคุมที่ผลิตโดย dSPACE ได้แบบเวลาจริง ในการใช้งานนั้นผู้ใช้จะต้องมีการ์ดควบคุมที่ผลิตโดย dSPACE ติดตั้งอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์เรียบร้อยแล้ว จากนั้นทำการติดตั้งซอฟต์แวร์ RTI ที่มีมาให้ หลังจากติดตั้งแล้วจะพบว่าที่ SIMULINK Library Browser จะมีไลบารีของการ์ดที่ติดตั้งปรากฏอยู่ ดังรูปที่ 7 และ ตัวอย่างของบล็อกไลบารีของการ์ดรุ่น DS1104 R&D Controller Board แสดงดังรูปที่ 8

.

รูปที่ 7  แสดง SIMULINK LIBRARY BROWSER ของ RTI

.

รูปที่ 8  แสดงบล็อกไลบารีของการ์ดรุ่น DS1104 R&D Controller Board

.

ในการใช้งานซอฟต์แวร์ RTI นั้น หลังจากทำการสร้างโมเดลของตัวควบคุมเสร็จแล้วจะต้องทำการกำหนดค่าพารามิเตอร์ของ Real-Time Workshop ใน Simulation Parameters Dialog ดังรูปที่ 9

.

รูปที่ 9 แสดงการกำหนดค่าพารามิเตอร์ของ SIMULINK ใน Simulation Parameters Dialog

.

หลังจากนั้นทำการกดปุ่ม Build ซอฟต์แวร์ RTI ก็จะทำการคอมไพล์ไฟล์และดาวล์โหลดโค้ดลงไปยังโปรเซสเซอร์บนบอร์ดควบคุม จากนั้นบอร์ดควบคุมก็จะทำการควบคุมระบบแบบเวลาจริงตามที่กำหนดไว้ ส่วนการสังเกตค่าพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงไปขณะควบคุมนั้น ผู้ใช้สามารถใช้โปรแกรม ControlDesk ของ dSPACE ในการสร้าง GUI ของผู้ใช้เองในการสังเกตค่าพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงไปดังรูปที่ 10

.

รูปที่ 10 แสดง GUI ที่สร้างจากโปรแกรม ControlDesk

.

4.2 การประยุกต์ใช้ Real–Time Interface (RTI) ในการประยุกต์ใช้ RTI นั้น  จะทำการทดลองควบคุมลูกตุ้มผกผัน โดยใช้ตัวควบคุมแบบฟัซซีลอจิกโดยใช้หลักการของ Virtual target angle [5] และใช้ Fuzzy Toolbox ในการสร้างตัวควบคุมแบบฟัซซี อุปกรณ์ทดลองแสดงดังรูปที่ 4

.

จากผลการทดลองควบคุมลูกตุ้มผกผันจะพบว่าตัวควบคุมแบบฟัซซี ให้ผลการควบคุมเป็นที่หน้าพอใจทั้งตำแหน่งของลูกตุ้มและตำแหน่งของตัวรถ ซอฟต์แวร์ RTI มีจุดเด่นตรงที่สามารถเข้ากันได้เป็นอย่างดีกับบอร์ดควบคุมของ dSPACE และ ในการใช้งานควบคุมแบบเวลาจริงก็ไม่ต้องการเครื่อง Target เหมือนในกรณีของ xPC Target เนื่องจากบนบอร์ดควบคุมมีโปรเซสเซอร์หลักของตัวเองอยู่แล้ว ทำให้สามารถกำหนดคาบเวลาในการสุ่มได้ต่ำเป็นระดับไมโครวินาที และข้อเด่นอีกข้อคือ  เมื่อ RTI ใช้ร่วมกับโปรแกรม ControlDesk ทำให้สามารถสังเกตค่าการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรที่ควบคุมได้อย่างสะดวกและสวยงาม แต่มีข้อจำกัดตรงที่ไม่สามารถใช้บล็อกไลบารีได้ทุกบล็อกใน SIMULINK เป็นจุดด้อยเดียวกับในกรณีของ xPC Target

.

5. การเปรียบเทียบซอฟต์แวร์ที่ทำการทดสอบ

เมื่อนำซอฟต์แวร์ที่กล่าวมาข้างตันมาพิจารณา แล้วเปรียบเทียบคุณสมบัติด้านต่างๆ  สามารถแสดงได้ดังตารางที่ 1

.

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบซอฟต์แวร์ที่ทำการทดสอบ

.

6. สรุปผลการทดสอบ

จากผลการทดสอบซอฟต์แวร์ทั้งหมดจะพบว่า xPc Target และ RTI สามารถกำหนดคาบเวลาในการสุ่มได้เร็วกว่า IOlib ในส่วนของ xPc Target นั้นจำเป็นจะต้องมีเครื่องคอมพิวเตอร์ หรือ บอร์ดประมวลผล ที่เป็น Target ด้วยเสมอ อย่างไรก็ตาม IOlib เหมาะสำหรับผู้ที่เริ่มต้นศึกษาการควบคุมแบบเวลาจริงโดยใช้ MATLAB/SIMULINK เนื่องไม่มีค่าใช้จ่ายในการซื้อซอฟต์แวร์ กรณีการ์ดควบคุมของ dSapce จะมีซอฟต์แวร์เสริมชื่อ ControlDesk ที่จะเด่นมากในเรื่องของการที่ให้ผู้ใช้สามารถสร้าง GUI ได้เอง เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงค่าของตัวแปรต่างๆ

.

จากการศึกษาซอฟต์แวร์ทั้งหมด  พบว่า xPc Target สามารถใช้กับการ์ดควบคุมบางยี่ห้อและบางรุ่น เท่านั้น ส่วน RTI จะใช้ได้กับการ์ดควบคุมที่ผลิตจาก dSpace เท่านั้น ส่วน IOlib จะไม่ยึดติดกับการ์ดควบคุมของผู้ผลิตรายใด แต่ผู้ใช้จะต้องทราบแอดเดรสของการ์ดที่จะนำมาใช้ และต้องมีความรู้ทางด้านฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์พอสมควร จากข้อจำกัดต่างๆ จึงเป็นการยากที่หาการ์ดควบคุมเพียงการ์ดเดียวที่สามารถใช้ร่วมกับซอฟต์แวร์ที่นำมาศึกษาได้ทั้งหมด ดั้งนั้นผู้ที่จะนำซอฟต์แวร์ในบทความนี้ไปใช้ให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด จะต้องคำนึงถึงลักษณะงานที่จะนำไปใช้เป็นหลัก โดยอาจใช้ตารางที่ 1 เป็นตารางที่ช่วยในการตัดสินใจ

.

เอกสารอ้างอิง

[1] T. Naveeruangrat and S. Songchon, “The use of zero phase filter with repetitive control in real time”, Proceedings of the 16th National Mechanical Engineering Conference, Phuket, Thailand, pp. 290 - 295, October 14 - 16 2002.

[2] ธรรมรัตน์ นาวีเรืองรัตน์,การควบคุมแบบทำซ้ำในเวลาจริงร่วมด้วยฟิลเตอร์แบบไร้เฟส,วิทยานิพนธ์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี, 2544.

[3] William J. Palm III, “Modeling, Analysis, and Control of Dynamic Systems”, 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc.

[4] สมหวัง อริสริยวงศ์ และ สยาม เจริญเสียง, การปรับปรุงตัวควบคุมแบบฟัซซีลอจิกสำหรับการควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์, วารสารสมาคมวิชาการหุ่นยนต์ไทย, ปีที่ 1, ฉบับที่ 1, หน้า 35-46

[5] Yasunobu, S. and Mori, M., Swing up fuzzy controller for inverted pendulum based on a human control strategy”, Proceedings of the Sixth IEEE International Conference on Fuzzy Systems, Barcelona,  Spain, Vol. 3, pp. 1621-1625. 1997.

[6] dSPACE, “DS1104 Installation and Configuration”, August 2003.

[7] The MathWorks, Inc., Using Simulink manual, 2001.

[8] The MathWorks, Inc., “xPc Target manual”, 2001.