피드 포워드(컨트롤)

피드 포워드(때로는 서면 피드 포워드)는 제어 시스템 내의 요소 또는 경로로서 외부 환경의 소스로부터 부하로 제어 신호를 전달한다. 이것은 종종 외부 연산자의 명령신호다.

피드-포워드 동작만 있는 제어 시스템은 부하가 어떻게 반응하는지에 반응하지 않고 미리 정의된 방식으로 제어 신호에 반응한다. 부하가 부하에 어떻게 영향을 미치는지, 부하 자체가 예측할 수 없이 어떻게 변할 수 있는지 고려하도록 입력을 조정하는 피드백이 있는 시스템과 대조적이다. 부하가 감소한다고 간주된다.시스템의 외부 환경에 agging.

피드-포워드 시스템에서 제어 변수 조정은 오류 기반이 아니다. 그 대신, 공정에 대한 지식과 공정에 대한 수학적 모델의 형태로 공정에 대한 지식 또는 공정 교란의 측정에 기초한다.^[1]

피드백이 없는 순수 피드 포워드(feed-forward)에 의해 제어 체계가 신뢰할 수 있으려면 몇 가지 전제조건이 필요하다: 외부 명령이나 제어 신호를 사용할 수 있어야 하며, 부하에 대한 시스템 출력의 영향을 알아야 한다(대개 부하가 예측 가능하게 시간에 불변해야 함을 의미한다). 피드백이 없는 순수 피드-포워드 컨트롤을 '발레틱(ballistic)'이라고 부르기도 하는데, 일단 제어 신호가 전송되면 더 이상 조정할 수 없기 때문이다. 어떤 교정 조정은 새로운 제어 신호를 통해 이루어져야 한다. 대조적으로, '크루즈 컨트롤'은 피드백 메커니즘에 의해 부딪히는 부하에 반응하여 출력을 조절한다.

이러한 시스템은 통제 이론, 생리학 또는 계산과 관련될 수 있다.

개요

피드-포워드 또는 피드포워드 제어를 통해 장애물을 측정하여 시스템에 영향을 미치기 전에 설명해야 한다. 가정 예에서, 피드 포워드 시스템은 문이 열려 있다는 사실을 측정하고 집이 너무 추워지기 전에 히터를 자동으로 켤 수 있다. 피드-포워드 제어의 어려움은 시스템에 대한 장애의 영향을 정확하게 예측해야 하며 측정되지 않은 장애는 없어야 한다는 것이다. 예를 들어, 측정되지 않는 윈도우가 열린 경우, 피드-포워드 제어식 온도 조절기는 집을 식혀줄 수 있다.

이 용어는 CPU 기반 자동 제어 분야 내에서 특정한 의미를 갖는다. "피드포워드 제어"의 규율은 현대적인 CPU 기반의 자동 제어와 관련되어 광범위하게 논의되고 있지만, 이러한 유형의 제어를 용이하게 하기 위해 필요한 수학적 모델을 개발하거나 제공하는 것이 어려움과 비용 때문에 거의 실행되지 않는다. 통조림 PID 제어 알고리즘에 기초한 개방형 루프 제어와 피드백 제어는 훨씬 더 널리 사용된다.^[2][3][4]

제어 시스템에는 오픈 루프, 피드-포워드, 피드백의 세 종류가 있다. 순수 개방 루프 제어 시스템의 예로는 자동차의 동력 보조가 없는 수동 조향이다. 조향 시스템은 보조 전원에 접근할 수 없고 방향 휠의 회전에 대한 다양한 저항에 반응하지 않는다. 운전자는 조향 시스템의 도움 없이 그러한 응답을 해야 한다. 이에 비해 파워 스티어링은 엔진 속도에 따라 달라지는 제어된 보조 전원에 접근할 수 있다. 스티어링 휠을 돌리면 밸브가 열려 압력을 받는 오일이 구동 휠을 회전시킬 수 있다. 센서는 밸브가 휠 회전 메커니즘에 도달할 정도로만 개방되도록 압력을 모니터링한다. 이것은 시스템의 출력, 차량의 이동 방향의 변화가 시스템에서 아무런 역할을 하지 않는 피드-포워드 제어다. 자세한 내용은 모형 예측 제어를 참조하십시오.

운전자가 시스템에 포함된 경우 이동 방향을 관찰하고 스티어링 휠을 돌려 오류를 보상함으로써 피드백 경로를 제공한다. 이 경우 피드백 시스템이 있고 그림(c)의 "시스템"이라고 표시된 블록은 피드-포워드 시스템이다.

즉, 다른 유형의 시스템이 중첩될 수 있고, 전체 시스템이 블랙박스로 간주될 수 있다.

피드포워드 제어는 개방형 루프 제어 및 텔레오퍼레이터 시스템과 확연히 다르다. 피드포워드 제어는 발전소의 수학적 모델(과정 및/또는 제어 중인 기계)과 시스템이 수신할 수 있는 입력 또는 피드백에 대한 발전소의 관계를 요구한다. 개방형 루프 제어나 원격 운영자 시스템은 제어되는 물리적 시스템이나 발전소의 수학적 모델의 정교함을 요구하지 않는다. 시스템의 수학적 모델을 통한 통합적 처리와 해석 없이 운용자 입력에 기초한 제어는 텔레 오퍼레이터 시스템이며 피드포워드 제어로 간주되지 않는다.^[5][6]

역사

역사적으로, "feedforward"라는 용어의 사용은 해롤드 S의 작품에서 찾아볼 수 있다. 미국 특허 1686792(1923년 3월 17일 발명)와 D. M. MacKay는 빠르면 1956년에. 맥케이의 연구가 생물학적 통제 이론 분야에 있는 반면, 그는 피드포워드 시스템만을 말한다. MacKay는 "Feedforward Control"을 언급하거나 "Feedforward Controls"의 규율을 암시하지 않는다. 맥케이와 "피드포워드"라는 용어를 사용하는 다른 초기 작가들은 일반적으로 인간이나 동물의 뇌가 어떻게 작용하는지에 대한 이론을 쓰고 있다.^[7] 블랙은 또한 1927년 8월 2일 전자 시스템에 적용된 피드백 기법에 대해 발명된 미국 특허 2102671을 가지고 있다.

"피드포워드 제어"의 훈련은 크게 조지아 공대, MIT, 스탠포드, 카네기 멜론의 교수들과 대학원생들에 의해 개발되었다. Feedforward는 일반적으로 학술 간행물에 하이픈으로 표기되어 있지 않다. MIT의 메클과 시어링, 조지아 공대의 북과 디커슨 등은 1970년대 중반부터 피드포워드 제어의 개념을 개발하기 시작했다. Feedforward Controls의 규율은 1980년대 후반까지 많은 학술 논문, 기사, 책에서 잘 규정되었다.^{[5][8][9][10]}

혜택들

피드포워드 제어의 이점은 상당하며 기술 구현에 필요한 추가 비용, 시간 및 노력을 정당화할 수 있다. 수학적 모델이 충분한 품질이고 피드포워드 제어법의 구현이 잘 고려된다면 제어 정확도는 종종 크기만큼 향상될 수 있다. 피드포워드 제어 시스템과 그 드라이버에 의한 에너지 소비량은 일반적으로 다른 제어장치에 비해 상당히 낮다. 제어 장치는 매우 정확하고 고속에서 작동할 수 있는 동시에 더 낮은 비용, 더 가벼운 무게, 더 부드러운 재료로 제작될 수 있도록 안정성이 향상된다. 피드포워드 제어의 다른 이점은 장비의 마모 및 파손 감소, 유지보수 비용 절감, 높은 신뢰성 및 이력(hysteresis)의 상당한 감소 등이다. 피드포워드 제어는 종종 성능을 최적화하기 위해 피드백 제어와 결합된다.^{[5][11][12][13][9]}

모델

피드포워드 제어시스템에서 사용하는 발전소의 수학적 모델(기계, 공정 또는 유기체)은 제어 엔지니어가 작성 및 입력하거나 제어시스템에서 학습할 수 있다.^[14] 마이크로프로세서 속도가 증가함에 따라 수학 모델을 학습하거나 조정할 수 있는 제어 시스템이 더욱 실용화되었다. 현대 피드포워드 제어의 규율 자체는 마이크로프로세서의 발명에 의해 가능해졌다.^[5][6]

피드포워드 제어는 제어 알고리즘에 수학적 모델을 통합하여 제어 중인 시스템의 상태에 대해 알려진 것에 기초하여 제어 작용을 결정하는 데 사용할 것을 요구한다. 가볍고 유연한 로봇 암에 대한 제어의 경우, 로봇 암이 페이로드(payload)를 운반할 때와 그렇지 않을 때 간에 보상하는 것만큼 간단할 수 있다. 표적 관절 각도는 페이로드에 의한 교란에 대한 수학적 모델의 해석으로부터 팔의 편향을 파악한 것에 기초하여 페이로드의 위치를 원하는 위치에 배치하도록 조정된다. 조치를 계획한 다음 실행을 위해 다른 시스템에 계획을 전달하는 시스템은 위의 피드포워드 제어 정의를 충족하지 않는다. 시스템에 교란을 감지하거나, 제어 작용에 필요한 수정을 결정하기 위해 수학적 모델을 통해 입력과 프로세스를 수신하는 수단이 포함되지 않는 한, 진정한 피드포워드 제어는 아니다.^[15][16][17]

오픈 시스템

시스템 이론에서, 오픈 시스템은 그것의 출력을 제어하기 위한 피드백 루프가 없는 피드 포워드 시스템이다. 이와는 대조적으로 폐쇄형 시스템은 피드백 루프를 사용하여 시스템의 작동을 제어한다. 개방형 시스템에서 시스템의 출력은 제어 또는 작동을 위해 시스템에 대한 입력으로 다시 공급되지 않는다.^{[citation needed]}

적용들

생리적 피드포워드 시스템

생리학에서, 피드-포워드 제어는 중앙 자율 네트워크에 의한 실제 물리적 작용에 앞서 심장 박동에 대한 정상적인 예상 조절에 의해 예시된다. 피드-포워드 제어는 알려진 신호에 대한 학습된 예상 반응(예측적 코드화)에 비유할 수 있다. 심장 박동에 대한 피드백 규제는 신체적인 노력의 실행 가능한 결과에 대한 추가적인 적응력을 제공한다. 피드포워드 시스템은 또한 동물 뇌의 많은 영역에 의한 다른 변수의 생물학적 제어에서도 발견된다.^[18]

인간의 뇌에서와 같은 생물학적 사료포워드 시스템의 경우에도 식물(신체)의 지식이나 정신모델이 한계, 리듬, 역학, 패턴 등으로 특징지어 수학적이라 볼 수 있다.^[7][15]

순수 피드포워드 시스템은 신체의 내부 환경을 '안정적'으로 유지하거나 '장시간의 안정적 준비 상태'로 유지하는 기능을 갖는 원점 제어 시스템과 다르다. 원점 제어 시스템은 시스템의 피드포워드 요소 외에 피드백(특히 음)에 주로 의존한다.

유전자 조절 및 사료 전달

유전자의 교차 조절은 그래프로 나타낼 수 있는데, 여기서 유전자는 노드이고 전자가 후자의 전사 인자일 경우 한 노드는 다른 노드와 연결된다. 모든 알려진 네트워크(대장균, 효모 등...)에 주로 나타나는 모티브는 A가 B, A, B가 C를 활성화한다. 이 모티브는 피드 포워드 시스템으로 비임시적인 환경 변화를 감지했다. 이 피드 포워드 컨트롤 테마는 되돌릴 수 없는 약속을 하는 조혈모세포 혈통 개발에서 흔히 관찰된다.

컴퓨팅에서 피드 포워드 시스템

컴퓨팅에서 피드포워드(feed-forward)는 일반적으로 모든 뉴런의 출력이 선행 레이어가 아닌 추종 레이어로 가는 지각 네트워크를 의미하므로 피드백 루프가 없다. 연결은 교육 단계에서 설정되며, 사실상 시스템이 피드백 시스템일 때 설정된다.

장거리 전화

1970년대 초 L 캐리어 등 시외 동축 전송 시스템은 피드-포워드 증폭기를 사용해 선형 왜곡을 줄였다. 이 더 복잡한 방법은 이전의 피드백 시스템보다 더 넓은 대역폭을 허용했다. 그러나 광섬유는 그러한 시스템을 많은 것들이 만들어지기 전에 쓸모없게 만들었다.

자동화 및 기계 제어

피드포워드 제어는 자동화에 사용되는 자동 제어 분야 내의 규율이다.

파생 모델(PFCD)과 병렬 피드-포워드 보상

이 방법은 오히려 비최소 위상 시스템의 오픈 루프 전송 기능의 위상을 최소 위상으로 바꾸는 새로운 기법이다.^[19]

참고 항목

• 블랙박스
• 스미스 예측 변수

참조

추가 읽기