개방 루프 시스템
개방 루프 구성은 피드백이 없기 때문에 출력 신호의 상태를 모니터링하거나 측정하지 않습니다.
전자 시스템에 대한 이전 튜토리얼에서 우리는 시스템이 원하는 출력 조건을 생성하기 위해 입력 신호를 지시하거나 제어하는 하위 시스템의 모음으로 정의될 수 있다는 것을 보았습니다. 그러나 출력의 변화를 자동으로 수정하지 않는 전기 또는 전자 시스템을 개방 루프 시스템이라고 합니다.
모든 전자 시스템의 기능은 출력을 자동으로 조절하고 이를 시스템에서 원하는 입력 값 또는 "설정점" 내로 유지하는 것입니다. 어떤 이유로든 시스템 입력이 변경되면 시스템의 출력도 이에 따라 응답하고 새 입력 값을 반영하도록 자체적으로 변경되어야 합니다.
마찬가지로, 입력 값을 변경하지 않고 시스템 출력을 방해하는 일이 발생하면 출력은 이전 설정 값으로 돌아가 응답해야 합니다. 과거에 전기 제어 시스템은 기본적으로 수동식이거나 원하는 출력 레벨 또는 값을 유지하기 위해 프로세스 변수를 조절하기 위해 내장된 자동 제어 또는 피드백 기능이 거의 없는 개방형 루프 시스템 이었습니다.
예를 들어, 전기 의류 건조기. 옷의 양이나 젖은 정도에 따라 사용자나 운영자는 타이머(컨트롤러)를 30분으로 설정하고 30분이 지나면 옷이 가만히 있어도 건조기가 자동으로 멈추고 꺼집니다. 젖거나 축축한.
이 경우 제어 조치는 수동 작업자가 옷의 젖음을 평가하고 그에 따라 프로세스(건조기)를 설정하는 것입니다.
따라서 이 예에서 의류 건조기는 출력 신호의 상태, 즉 의류의 건조 상태를 모니터링하거나 측정하지 않으므로 개방 루프 시스템이 됩니다. 그러면 건조 과정의 정확성이나 옷의 건조 성공 여부는 사용자(운영자)의 경험에 따라 달라집니다.
그러나 사용자는 원래의 건조 프로세스가 충족되지 않을 것이라고 생각하는 경우 타이밍 컨트롤러 건조 시간을 늘리거나 줄여 언제든지 시스템의 건조 프로세스를 조정하거나 미세 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 건조 프로세스를 연장하려면 타이밍 컨트롤러를 40분으로 늘립니다. 다음 개방 루프 블록 다이어그램을 고려하십시오.
개루프 건조 시스템
비 피드백 시스템이라고도하는 개방 루프 시스템은 출력이 입력 신호의 제어 동작에 영향을 미치지 않거나 영향을 미치지 않는 일종의 연속 제어 시스템입니다. 즉, 개방 루프 제어 시스템에서는 출력이 측정되지 않으며 입력과 비교하기 위해 "피드백"되지도 않습니다. 따라서 개루프 시스템은 최종 결과에 관계없이 입력 명령이나 설정점을 충실히 따를 것으로 예상됩니다.
또한 개방 루프 시스템은 출력 조건에 대한 지식이 없으므로 사전 설정 값에서 큰 편차가 발생하더라도 사전 설정 값이 표류할 때 발생할 수 있는 오류를 자체 수정할 수 없습니다.
개방 루프 시스템의 또 다른 단점은 원하는 작업을 완료하는 능력을 저하시킬 수 있는 조건의 교란이나 변화를 처리할 수 있는 장비가 부족하다는 것입니다. 예를 들어, 건조기 문이 열리고 열이 손실됩니다. 타이밍 컨트롤러는 30분 내내 작동하지만 건조가 끝난 후에도 옷이 가열되거나 건조되지 않습니다. 일정한 온도를 유지하기 위해 피드백되는 정보가 없기 때문이다.
그런 다음 개방 루프 시스템 오류가 건조 프로세스를 방해할 수 있으므로 사용자(운영자)의 추가적인 감독 주의가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 예측 제어 접근 방식의 문제점은 사용자가 프로세스 온도를 자주 확인하고 건조 프로세스가 원하는 의류 건조 값에서 벗어날 때마다 시정 제어 조치를 취해야 한다는 것입니다. 오류가 실제로 발생하기 전에 반응하는 이러한 유형의 수동 개방 루프 제어를 피드포워드 제어 라고 합니다.
예측 제어라고도 알려진 피드 포워드 제어의 목적은 잠재적인 개방 루프 교란을 측정 또는 예측하고 제어 변수가 원래 설정점에서 너무 멀리 벗어나기 전에 수동으로 보상하는 것입니다. 따라서 위의 간단한 예에서 건조기 도어가 열려 있으면 이를 감지하고 닫아 건조 프로세스를 계속할 수 있습니다.
올바르게 적용한 경우, 사용자가 오류 상황(도어 열림)에 매우 신속하게 대응하면 30분이 지나면 젖은 옷에서 마른 옷으로의 편차가 최소화됩니다. 그러나 시스템이 변경되면 이 피드 포워드 접근 방식이 완전히 정확하지 않을 수 있습니다. 예를 들어 30분 과정 동안 건조 온도 강하가 감지되지 않았습니다.
그러면 "개루프 시스템"의 주요 특징을 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
- 실제 값과 원하는 값을 비교하지 않습니다.
- 개방 루프 시스템에는 출력 값에 대한 자체 조절이나 제어 조치가 없습니다.
- 각 입력 설정은 컨트롤러의 고정 작동 위치를 결정합니다.
- 외부 조건의 변화나 방해로 인해 직접적인 출력 변화가 발생하지 않습니다(컨트롤러 설정을 수동으로 변경하지 않는 한).
모든 개방 루프 시스템은 직렬로 연결된 여러 개의 계단식 블록이나 입력 및 출력이 있는 단일 블록 다이어그램으로 표현될 수 있습니다. 개방 루프 시스템의 블록 다이어그램은 입력에서 출력까지의 신호 경로가 피드백 루프가 없는 선형 경로를 나타내며 모든 유형의 제어 시스템에 대해 입력에는 θi 로 지정되고 출력에는 θo 로 지정된다는 것을 보여줍니다 .
일반적으로 실제 전달 함수를 계산하기 위해 개루프 블록 다이어그램을 조작할 필요는 없습니다. 각 블록 다이어그램에서 적절한 관계나 방정식을 기록한 다음 표시된 대로 이러한 방정식에서 최종 전달 함수를 계산할 수 있습니다.
개방 루프 시스템
따라서 각 블록의 전달 함수는 다음과 같습니다.
전체 전달 함수는 다음과 같이 주어진다.
그런 다음 개방 루프 이득은 다음과 같이 간단하게 제공됩니다.
G가 시스템 또는 하위 시스템의 전달 함수를 나타내는 경우 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다. G(s) = θo(s)/θi(s)
개루프 제어 시스템은 "ON-OFF" 신호를 사용하여 이벤트 순서를 결정해야 하는 프로세스에 자주 사용됩니다. 예를 들어, 물을 "ON"으로 전환한 다음 가득 차면 "OFF"로 전환하고, 물을 가열하기 위해 히터 요소를 "ON"으로 전환한 다음 적절한 온도에서 "OFF"로 전환해야 하는 세탁기, 등등.
이러한 유형의 "ON-OFF" 개방 루프 제어는 부하 변화가 천천히 발생하고 프로세스가 매우 느리게 진행되어 운영자가 제어 작업을 자주 변경하지 않아도 되는 시스템에 적합합니다.
튜토리얼 요약
우리는 컨트롤러가 입력을 조작하여 시스템 출력에 원하는 효과를 얻을 수 있다는 것을 살펴보았습니다. 출력이 입력 신호의 제어 동작에 영향을 미치지 않는 제어 시스템 유형 중 하나를 개방 루프 시스템 이라고 합니다 .
"개방 루프 시스템"은 입력 신호 또는 시스템 설정점과 비교하기 위해 출력 신호 또는 조건이 측정되거나 "피드백"되지 않는다는 사실로 정의됩니다. 따라서 개방 루프 시스템을 일반적으로 "비 피드백 시스템"이라고 합니다.
또한, 개방 루프 시스템은 필요한 출력이 달성되었는지 확인하기 위해 피드백을 사용하지 않기 때문에 발생할 수 있는 오류를 수정할 수 없으므로 입력의 원하는 목표가 성공적이라고 "가정"하므로 오류를 보상할 수 없습니다. 시스템에 대한 외부 방해.
모터 제어
예를 들어 그림과 같은 DC 모터 컨트롤러를 가정해 보겠습니다. 모터의 회전 속도는 전위차계에 의해 증폭기(컨트롤러)에 공급되는 전압에 따라 달라집니다. 입력 전압의 값은 전위차계의 위치에 비례할 수 있습니다.
전위차계를 저항 상단으로 이동하면 최대 속도를 나타내는 최대 양의 전압이 증폭기에 공급됩니다. 마찬가지로 전위차계 와이퍼가 저항의 맨 아래로 이동하면 매우 느린 속도 또는 정지를 나타내는 0 전압이 공급됩니다.
그런 다음 전위차계 슬라이더의 위치는 시스템의 출력 θo를 나타내는 설정된 속도 N 으로 DC 모터(프로세스)를 구동하기 위해 증폭기(컨트롤러)에 의해 증폭되는 입력 θi 를 나타냅니다. 모터는 전위차계의 위치에 따라 결정되는 고정 속도로 계속 회전합니다.
입력에서 출력까지의 신호 경로는 루프의 일부를 형성하지 않는 직접 경로이므로 시스템의 전체 이득은 전위차계, 증폭기, 모터 및 부하에서 개별 이득의 계단식 값이 됩니다. 모터의 출력 속도가 전위차계의 위치와 동일해야 시스템의 전체 이득이 통일되는 것이 분명히 바람직합니다.
그러나 전위차계, 증폭기 및 모터의 개별 이득은 공급 전압이나 온도의 변화에 따라 시간이 지남에 따라 달라질 수 있으며, 모터 부하가 증가하여 개방 루프 모터 제어 시스템에 대한 외부 방해를 나타낼 수도 있습니다.
그러나 사용자는 결국 시스템 성능의 변화(모터 속도 변화)를 알게 되며 그에 따라 전위차계 입력 신호를 늘리거나 줄여 원래 속도나 원하는 속도를 유지함으로써 이를 수정할 수 있습니다.
이러한 유형의 "개방 루프 모터 제어"의 장점은 잠재적으로 저렴하고 구현이 간단하여 입력과 출력 간의 관계가 직접적이고 외부 방해의 영향을 받지 않는 잘 정의된 시스템에 사용하기에 이상적이라는 것입니다. 불행하게도 이러한 유형의 개방 루프 시스템은 시스템의 변동이나 장애가 모터 속도에 영향을 미치기 때문에 부적절합니다. 그러면 또 다른 형태의 통제가 필요합니다.
전자 시스템 에 대한 다음 튜토리얼에서는 일부 출력 신호를 입력으로 피드백하여 시스템 제어가 실제 값과 원하는 값의 차이를 기반으로 하는 효과를 살펴보겠습니다. 이러한 유형의 전자 제어 시스템을 폐쇄 루프 제어 라고 합니다 .