แนวข้อสอบ กว. Process Dynamics and Control พร้อมเฉลย

หัวข้อ “Process Dynamics and Control” เป็นส่วนหนึ่งของการสอบใบอนุญาตภาคีวิศวกร (กว.) บน TUE.expert มีข้อซ้อมหัวข้อนี้ 25 ข้อ อยู่ใน 1 ชุดซ้อม ด้านล่างคือตัวอย่าง 5 ข้อ พร้อมเฉลยและคำอธิบาย ลองตอบเองก่อน แล้วกด “ดูเฉลย” ใต้แต่ละข้อเพื่อตรวจคำตอบ

ตัวอย่างข้อสอบ Process Dynamics and Control 5 ข้อ

1. 1. Phase Margin ในการวิเคราะห์เสถียรภาพด้วย Bode plot หมายถึงอะไร

   • A. มุมเฟสที่ต้องลดลงเพิ่มเติม ที่ความถี่ซึ่งขนาดของอัตราขยายลูปเท่ากับ 1 (0 dB) ก่อนที่ระบบจะเข้าสู่ภาวะไม่เสถียร
   • B. อัตราขยายที่ต้องเพิ่มขึ้นก่อนที่ระบบจะไม่เสถียรที่ความถี่ซึ่งมุมเฟสเท่ากับ -180 องศา
   • C. ความถี่ธรรมชาติของระบบที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องสูงสุด
   • D. ผลต่างระหว่างค่าคงที่เวลาของกระบวนการกับค่าคงที่เวลาของตัวควบคุม
   ดูเฉลย

   คำตอบ: ข้อ A — มุมเฟสที่ต้องลดลงเพิ่มเติม ที่ความถี่ซึ่งขนาดของอัตราขยายลูปเท่ากับ 1 (0 dB) ก่อนที่ระบบจะเข้าสู่ภาวะไม่เสถียร

   Phase margin คือระยะมุมเฟสที่เหลืออยู่ก่อนมุมเฟสของลูปจะถึง -180 องศา วัดที่ความถี่ crossover ซึ่งขนาดอัตราขยายเท่ากับ 1 ส่วน gain margin คือส่วนกลับของอัตราขยายที่ความถี่ซึ่งมุมเฟสเท่ากับ -180 องศา ซึ่งเป็นนิยามคนละตัว

2. 2. ในตัวควบคุม PID โหมดอนุพันธ์ (Derivative, D) มีข้อเสียสำคัญอย่างไรเมื่อสัญญาณจากตัวรับรู้มีสัญญาณรบกวน (noise) ปนอยู่มาก

   • A. โหมด D จะขยายสัญญาณรบกวนทำให้สัญญาณควบคุมแปรปรวนรุนแรง เนื่องจากคำนวณจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าผิดพลาด
   • B. โหมด D จะทำให้เกิด Offset ถาวรเนื่องจากไม่สามารถตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้
   • C. โหมด D จะทำให้ตัวควบคุมหยุดทำงานโดยอัตโนมัติเมื่อตรวจพบสัญญาณรบกวน
   • D. โหมด D จะลดความไวของตัวควบคุมต่อค่าผิดพลาดจนไม่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ
   ดูเฉลย

   คำตอบ: ข้อ A — โหมด D จะขยายสัญญาณรบกวนทำให้สัญญาณควบคุมแปรปรวนรุนแรง เนื่องจากคำนวณจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าผิดพลาด

   โหมด D คำนวณจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าผิดพลาดตามเวลา สัญญาณรบกวนที่เปลี่ยนแปลงเร็วจะถูกขยายทำให้เอาต์พุตของตัวควบคุมแปรปรวน ส่วน Offset เป็นผลจากการขาดโหมด I ไม่ใช่โหมด D และโหมด D ไม่ทำให้ตัวควบคุมหยุดทำงานหรือลดความไวต่อค่าผิดพลาด

3. 3. วิธีการจูนตัวควบคุมแบบ Relay Feedback มีข้อดีเหนือวิธี Ziegler-Nichols แบบ continuous cycling ดั้งเดิมในประเด็นใดเป็นสำคัญ

   • A. สามารถหาค่า ultimate gain และ ultimate period ได้โดยไม่ต้องปรับตัวควบคุมจนระบบเกิดการสั่นแบบต่อเนื่องที่ขอบเสถียรภาพพอดี ลดความเสี่ยงที่กระบวนการจะเสียเสถียรภาพระหว่างการทดสอบ
   • B. ให้ค่าพารามิเตอร์ PID ที่แม่นยำกว่าการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แบบสมบูรณ์เสมอ
   • C. ไม่จำเป็นต้องทราบข้อมูลใดๆ เกี่ยวกับพลวัตของกระบวนการเลยในการคำนวณพารามิเตอร์
   • D. ใช้ได้เฉพาะกับกระบวนการที่มีลักษณะเป็นอันดับหนึ่งที่ไม่มี dead time เท่านั้น
   ดูเฉลย

   คำตอบ: ข้อ A — สามารถหาค่า ultimate gain และ ultimate period ได้โดยไม่ต้องปรับตัวควบคุมจนระบบเกิดการสั่นแบบต่อเนื่องที่ขอบเสถียรภาพพอดี ลดความเสี่ยงที่กระบวนการจะเสียเสถียรภาพระหว่างการทดสอบ

   การทดสอบด้วยรีเลย์ป้อนกลับทำให้ระบบเกิดการสั่นแบบ limit cycle ที่มีแอมพลิจูดจำกัดโดยอัตโนมัติ ทำให้หา ultimate gain และ ultimate period ได้โดยไม่ต้องเพิ่มเกนจนระบบสั่นไม่หยุดเหมือนวิธีดั้งเดิมซึ่งเสี่ยงต่อเสถียรภาพของกระบวนการจริง ตัวเลือกอื่นกล่าวเกินจริงหรือไม่ถูกต้องตามหลักการ

4. 4. ระบบควบคุมแบบ Cascade ประกอบด้วยตัวควบคุมหลัก (Primary controller) และตัวควบคุมรอง (Secondary controller) เงื่อนไขสำคัญที่ทำให้ระบบ Cascade ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพคือข้อใด

   • A. ลูปควบคุมรอง (secondary loop) ต้องมีการตอบสนองที่เร็วกว่าลูปควบคุมหลัก (primary loop) อย่างมาก
   • B. ลูปควบคุมหลักต้องไม่มีตัวแปรรบกวนใด ๆ เข้ามากระทบตลอดการทำงาน
   • C. ตัวควบคุมรองต้องใช้โหมดควบคุมแบบ PID ครบทั้งสามโหมดเสมอ ขณะที่ตัวควบคุมหลักใช้ได้เฉพาะโหมด P
   • D. เอาต์พุตของตัวควบคุมรองต้องถูกส่งไปเป็นค่า setpoint ของตัวควบคุมหลักเสมอ
   ดูเฉลย

   คำตอบ: ข้อ A — ลูปควบคุมรอง (secondary loop) ต้องมีการตอบสนองที่เร็วกว่าลูปควบคุมหลัก (primary loop) อย่างมาก

   ลูปควบคุมรองต้องตอบสนองเร็วกว่าลูปควบคุมหลักมาก เพื่อกำจัดผลของตัวแปรรบกวนได้ก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อตัวแปรหลัก ทิศทางสัญญาณที่ถูกต้องคือตัวควบคุมหลักส่งค่า setpoint ไปยังตัวควบคุมรอง ซึ่งตรงข้ามกับตัวเลือก D และตัวเลือก B กับ C ไม่ใช่เงื่อนไขที่จำเป็นของ Cascade control

5. 5. ปัญหา Reset Windup (Integral Windup) ในตัวควบคุม PID เกิดขึ้นในสถานการณ์ใด

   • A. เมื่อตัวปรับ (actuator) อิ่มตัวถึงขีดจำกัดเป็นเวลานาน ทำให้พจน์อินทิกรัลยังสะสมค่าผิดพลาดต่อไปโดยไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง ส่งผลให้เกิด overshoot มากเมื่อสถานการณ์กลับสู่ปกติ
   • B. เมื่อค่า gain ของโหมด P สูงเกินไปจนระบบเกิดการสั่นต่อเนื่อง
   • C. เมื่อสัญญาณรบกวนในตัววัดถูกขยายโดยโหมด D จนสัญญาณควบคุมกระตุกแรง
   • D. เมื่อค่าคงที่เวลาอินทิกรัลถูกตั้งค่าน้อยเกินไปจนระบบตอบสนองเร็วกว่าที่ต้องการ
   ดูเฉลย

   คำตอบ: ข้อ A — เมื่อตัวปรับ (actuator) อิ่มตัวถึงขีดจำกัดเป็นเวลานาน ทำให้พจน์อินทิกรัลยังสะสมค่าผิดพลาดต่อไปโดยไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง ส่งผลให้เกิด overshoot มากเมื่อสถานการณ์กลับสู่ปกติ

   Reset windup เกิดเมื่อวาล์วหรือตัวปรับอิ่มตัวเป็นเวลานานในขณะที่ยังมีค่าผิดพลาดอยู่ พจน์อินทิกรัลจะสะสมค่าต่อไปเรื่อยๆ เมื่อสถานการณ์กลับสู่ช่วงทำงานปกติสัญญาณควบคุมต้องใช้เวลานานคลายตัวกลับ ทำให้เกิด overshoot รุนแรง ตัวเลือกอื่นเป็นปัญหาคนละประเภท เช่น การสั่นจาก P สูงหรือสัญญาณรบกวนจาก D

ชุดซ้อมที่มีหัวข้อ Process Dynamics and Control

• กว. ภาคีวิศวกรเคมี หมวดวิชาเฉพาะ — ชุดจำลองสอบเต็ม 99 ข้อ99 ข้อ
  ฿159

หัวข้ออื่นในแนวข้อสอบ กว.