오픈 루프 컨트롤러

Open-loop controller
"Open-Loop"의 다른 용도는 Open-loop(동음이의)을 참조하십시오.

비피드백 컨트롤러라고도 하는 오픈 루프 컨트롤러에서 컨트롤러로부터의 제어 작용은 제어되고 있는 프로세스 변수인 "프로세스 출력"과 독립적이다.[1] 그것은 그것의 출력이 입력 명령 또는 프로세스 "설정점"의 원하는 목표를 달성했는지 결정하기 위해 피드백을 사용하지 않는다.

밸브, 기계, 조명, 모터 또는 히터의 켜기/끄기 스위칭과 같은 많은 개방형 루프 제어장치가 있으며, 제어 결과는 피드백이 필요하지 않은 정상 조건에서 거의 충분하다고 알려져 있다. 이러한 경우에 개방형 루프 제어를 사용할 경우의 이점은 구성요소 수의 감소와 복잡성이다. 그러나 오픈 루프 시스템은 외부 장애에 대해 발생하거나 수정하는 오류를 수정할 수 없으며 기계 학습에 관여할 수 없다.

개방 루프 및 폐쇄 루프(피드백) 제어

일반적으로 순수하게 타이밍 시퀀스에 기초한 개방 루프 제어에 사용되는 전기기계 타이머로, 프로세스로부터 피드백이 없다.

기본적으로 제어 루프에는 개방 루프(피드포워드) 제어와 폐쇄 루프(피드백) 제어의 두 가지 유형이 있다.

개방형 루프 제어에서 제어기의 제어 작용은 "프로세스 출력"(또는 "제어된 프로세스 변수")과 독립적이다. 타이머로만 제어하는 중앙난방보일러가 좋은 예다. 그래서 건물의 온도에 상관없이 일정한 시간 동안 열이 가해진다. 제어 작용은 보일러의 켜짐/꺼짐이지만, 제어 변수는 건물 온도여야 하지만, 이것은 보일러의 개방 루프 제어로서, 온도의 폐쇄 루프 제어를 제공하지 않기 때문에 그렇지 않다.

폐쇄 루프 제어에서 컨트롤러로부터의 제어 동작은 프로세스 출력에 의존한다. 보일러 유추의 경우, 여기에는 건물 온도를 감시하기 위한 온도 조절기가 포함될 것이며, 따라서 제어기가 온도 조절기에 설정된 온도에서 건물을 유지하도록 하기 위한 신호를 다시 공급할 것이다. 따라서 폐쇄 루프 컨트롤러에는 제어기가 "기준 입력" 또는 "설정점"과 동일한 프로세스 출력을 제공하기 위해 제어 조치를 수행하도록 보장하는 피드백 루프가 있다. 이러한 이유로 폐쇄 루프 컨트롤러를 피드백 컨트롤러라고도 한다.[1]

영국 표준 기관에 따른 폐쇄 루프 제어 시스템의 정의는 "모니터링 피드백을 보유한 제어 시스템, 이 피드백의 결과로 형성된 편차 신호가 편차를 0으로 감소시키는 경향이 있는 최종 제어 요소의 작용을 제어하기 위해 사용된다"[2]이다.

적용들

의류건조기와 상관없이 일정 시간 건조기를 가동해 오픈루프를 제어하는 전동 의류건조기.

개방형 루프 컨트롤러는 피드백이 중요하지 않은 시스템, 특히 단순하고 비용이 저렴하기 때문에 단순한 프로세스에서 종종 사용된다. 대표적인 예가 오래된 가정용 의류 건조기일 것이다. 이 건조기는 옷의 건조성에 대한 자동 피드백이 없이 작업자의 판단에 전적으로 의존한다.

예를 들어, 정해진 시간에 켜도록 프로그램된 관개 스프링클러 시스템은 피드백의 한 형태로 토양 수분을 측정하지 않는 경우 개방 루프 시스템의 예가 될 수 있다. 잔디밭에 비가 쏟아지더라도 스프링클러 시스템이 제때 가동돼 물을 낭비하게 된다.

다른 예로는 위치 제어에 사용되는 스테퍼 모터가 있다. 그것을 전기 펄스의 스트림을 보내면 정확히 그 정도로 많은 스텝으로 회전하게 되는데, 그 이름이 바로 그것이다. 만약 모터가 위치 피드백 없이 항상 각 움직임을 정확하게 수행한다고 가정한다면, 그것은 개방 루프 제어일 것이다. 그러나, 위치 인코더 또는 시작 또는 결승 위치를 나타내는 센서가 있다면, 그것은 많은 잉크젯 프린터와 같이 폐쇄 루프 제어다. 스테퍼의 개방 루프 제어의 단점은 기계 부하가 너무 높거나 모터가 너무 빨리 움직이려고 하면 스텝을 건너뛸 수 있다는 것이다. 컨트롤러는 이를 감지할 수 있는 수단이 없기 때문에 기계는 재설정될 때까지 조정에서 약간 벗어나 계속 작동한다. 이 때문에 보다 복잡한 로봇과 공작기계는 대신 인코더와 폐쇄 루프 컨트롤러를 통합한 스테퍼 모터보다는 서보모터를 사용한다.

그러나 개방 루프 제어는 입력과 결과 상태의 관계를 수학적 공식에 의해 신뢰성 있게 모델링할 수 있는 잘 정의된 시스템에 매우 유용하고 경제적이다. 예를 들어, 원하는 속도를 달성하기 위해 일정 부하를 구동하는 전기 모터에 공급될 전압을 결정하는 것이 좋은 응용 방법이 될 것이다. 그러나 하중을 예측할 수 없고 과도해진 경우 모터 속도는 전압뿐만 아니라 부하 함수로서 달라질 수 있으며, 개방 루프 컨트롤러는 속도를 반복적으로 제어하기에 불충분할 것이다.

일정한 속도로 이동해야 하는 컨베이어 시스템을 예로 들 수 있다. 일정한 전압의 경우 컨베이어는 모터의 부하에 따라 다른 속도로 이동한다(여기서는 컨베이어에 있는 물체의 무게로 표시됨). 컨베이어가 일정한 속도로 작동하려면 부하에 따라 모터의 전압을 조정해야 한다. 이 경우 폐쇄 루프 제어 시스템이 필요할 것이다.

따라서 스위칭 밸브, 조명, 모터 또는 히터 켜기 및 끄기와 같은 많은 개방형 루프 제어 장치가 있으며, 이 경우 피드백이 필요하지 않은 결과가 대략적으로 충분한 것으로 알려져 있다.

피드백 제어

PID 컨트롤러와 같은 피드백 제어 시스템은 피드-포워드(또는 오픈 루프) 제어와 PID 컨트롤러의 피드백(또는 폐쇄 루프) 제어를 결합하여 개선할 수 있다. 시스템에 대한 지식(예: 원하는 가속도 및 관성)을 전방으로 공급하고 PID 출력과 결합하여 전체 시스템 성능을 개선할 수 있다. 피드-포워드 값만으로도 컨트롤러 출력의 주요 부분을 제공할 수 있다. PID 컨트롤러는 주로 설정 지점(SP)과 오픈 루프 제어에 대한 시스템 응답 사이에 남아 있는 차이나 오류를 보상해야 한다. 피드-포워드 출력은 공정 피드백에 영향을 받지 않기 때문에 제어 시스템이 진동하지 않도록 하여 안정성에 영향을 주지 않고 시스템 응답을 개선할 수 있다. 피드 포워드(feed forward)는 설정점과 추가 측정된 장애에 기초할 수 있다. 설정점 가중치는 간단한 형태의 피드 포워드다.

예를 들어 대부분의 모션 제어 시스템에서는 제어 중인 기계적 부하를 가속화하기 위해 액추에이터에 더 많은 힘이 필요하다. 속도 루프 PID 컨트롤러를 사용하여 부하 속도를 제어하고 액츄에이터에 의해 가해지는 힘을 명령하는 경우, 원하는 순간 가속도를 취하고 그 값을 적절하게 조정하여 PID 속도 루프 컨트롤러의 출력에 추가하는 것이 유익하다. 즉, 부하가 가속되거나 감속될 때마다 피드백 값에 관계없이 작동기에서 비례적인 힘의 양이 명령된다. 이 상황에서 PID 루프는 피드백 정보를 사용하여 결합된 출력을 변경하여 프로세스 설정점과 피드백 값 사이의 남은 차이를 줄인다. 개방형 루프 피드-포워드 컨트롤러와 폐쇄 루프 PID 컨트롤러를 함께 사용하면 어떤 상황에서 보다 반응성이 높은 제어 시스템을 제공할 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b "피드백 및 제어 시스템" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Schaums 개요 시리즈, McGraw-Hill 1967
  2. ^ Mayr, Otto (1970). The Origins of Feedback Control. Clinton, MA USA: The Colonial Press, Inc.
  • 쿠오, 벤자민 C. (1991년). 자동 제어 시스템 (6차 개정). 뉴저지: 프렌티스 홀. ISBN 0-13-051046-7
  • 지니 플립코프(2004) "Bounded-Input Bounded-Predefined-Control Bounded-Output"(http://arXiv.org/pdf/cs/0411015)
  • 바소, 크리스토프 (2012년) "Linear Power Supply 및 Switching Power Supply를 위한 제어 루프 설계: 자습서 가이드" 아르테크 하우스, ISBN 978-1608075577