제어 루프:개방 vs. 폐쇄

피드백 제어 루프는 제어 엔지니어링 분야에서 가장 혁신적이고 신뢰할 수 있는 도구일 것입니다. 전체적으로 효율적인 제어 루프 시스템의 문제 및 문제를 결정하고, 프로세스의 설정값에 도달하고, 시스템의 안정성을 유지하기 위한 도구입니다. 제어 루프 시스템에는 폐쇄 루프, 개방 루프, 결합된 개방 및 폐쇄 루프의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 폐쇄 루프는 피드백에 더 많이 의존하지만 개방 루프는 그렇지 않습니다. Combined는 피드백과 피드포워드를 모두 사용하여 프로세스를 안정화합니다.

다음 다이어그램은 전체 피드백 제어 루프를 보여줍니다.

이것을 나누면 다음을 얻습니다.

1. 관리해야 하는 프로세스
2. 물리적 매개변수를 측정하는 센서 프로세스
3. 전자 신호를 통해 감각 정보를 변환하는 송신기
4. 신호와 설정값을 비교하는 컨트롤러
5. 컨트롤러에서 보낸 신호에 따라 수정 작업을 수행하는 액추에이터

폐쇄 루프 제어 시스템에서 시퀀스는 설정값에 도달할 때까지 반복됩니다. 몇 가지 일반적인 예는 용광로 온도의 온도 조절기 또는 자동차의 순항 제어 장치입니다. 그러나 이것이 모든 자동 작업이 제대로 작동하기 위해 피드백이 필요하다는 것을 의미하지는 않습니다. 시퀀스가 한 번만 필요하다고 가정하는 개방 루프 구성은 피드백을 통한 지속적인 확인 없이 여러 작업을 수행할 수 있습니다.

폐회로 제어 유형

지속적인 폐쇄 루프 제어

모든 폐쇄 루프 프로세스가 동일한 것은 아닙니다. 지속적인 제어 프로세스의 경우 피드백 루프는 설정값이라고도 하는 사용자가 설정한 제어 변수의 값을 유지합니다. 컨트롤러는 설정값에서 최신 감각 측정값을 간단히 빼줍니다. 결과의 크기는 액추에이터를 통해 컨트롤러가 적용할 수정 노력을 결정합니다.

예를 들어 크루즈 컨트롤이 활성화된 자동차는 속도계를 센서로 사용하여 속도를 측정합니다. 속도가 설정값보다 낮으면 컨트롤러가 더 많은 연료를 공급하여 차량을 가속합니다. 자동차가 너무 빨리 주행하면 연료 입력이 비례하여 감소합니다. 이 측정-결정-작동 과정은 자동차의 속도가 설정값에 도달할 때까지 계속됩니다.

이산 폐쇄 루프 제어

연속 폐쇄 루프 제어를 사용하면 관심 변수가 항상 측정되지만 개별 제어 시스템에서는 트리거 이벤트가 측정-결정-작동 시퀀스를 초래합니다. 예를 들어, 인간은 운전하기 전에 외부의 주변광 상태와 헤드라이트를 켤지 여부를 눈으로 판단합니다. 짙은 구름의 인스턴스 또는 다음 여행의 시작과 같은 트리거 이벤트가 있을 때까지 추가 조정이 필요하지 않습니다.

이산 피드백 루프는 지속적인 모니터링이나 급격한 오버슈트와 같은 문제를 포함하지 않기 때문에 연속 피드백 루프보다 훨씬 간단합니다. 크루즈 컨트롤의 점진적인 결과와 비교하여 헤드라이트를 켰을 때 즉각적인 결과를 얻습니다.

개루프 제어

앞에서 언급했듯이 개루프 컨트롤러는 설정점이 한 번에 달성될 것이라고 가정하고 트리거가 발생할 때 단일 제어 노력을 적용합니다. 이러한 컨트롤러에는 결과를 측정할 수 있는 옵션이 제공될 수도 있습니다. 예를 들어, 모터가 시작 또는 중지되었습니까? 이러한 측정은 주로 안전을 위한 것이며 시퀀스의 일부가 아닙니다.

경우에 따라 폐쇄 루프 컨트롤러는 센서 오류 또는 작업자의 수동 인수로 인해 개방 루프 컨트롤러처럼 작동할 수 있습니다. 피드백 컨트롤러가 안정성을 유지할 수 없을 때 작업자는 개입해야 합니다. 예를 들어, 강력한 압력 컨트롤러는 라인 압력 강하를 적절하게 보상하지 못하여 빈번한 오버슈트 및 진동을 유발할 수 있습니다. 이러한 경우 작업자는 시스템을 안정화하기 위해 수동으로 제어해야 합니다.

또한 안정적인 제어를 구성하기가 너무 어려운 여러 프로세스가 있어 숙련된 작업자가 매우 자주 인수해야 합니다. 작업자는 자신의 경험을 사용하여 프로세스 입력을 조작하고 컨트롤러보다 훨씬 빠르게 원하는 설정값을 유지할 수 있습니다. 그러나 이것은 제어 루프를 사용하는 이상적인 상황이 아닙니다. 그렇다면 개방 루프 제어와 폐쇄 루프 제어가 모두 결합되면 어떻게 될까요?

개방 및 폐회로 제어 결합

피드백 부분을 제거하면 필요한 제어 노력을 만드는 제어 노력의 보장도 제거되기 때문에 개루프 제어에는 부정확성의 단점이 있습니다. 개루프 제어 및 폐회로 제어 속도와 정확성이 동시에 필요한 경우 결합하여 피드포워드 전략을 형성할 수 있습니다.

피드포워드 컨트롤러는 모든 제어 노력이 수동 모드에서 작동하는 숙련된 엔지니어와 유사하도록 프로세스의 수학적 모델을 기반으로 합니다. 초기 개방 루프 노력의 결과를 측정하고 추가 수정을 적용하여 오류를 제거하고 설정값에 도달합니다. 이러한 유형의 컨트롤러는 과다한 기준을 측정하는 데 적합한 센서를 사용할 수 있을 때 유용합니다. 미래의 영향을 예측할 수 있는 경우 컨트롤러는 최소 시간 내에 오류가 제거되도록 선제 조치를 취할 수 있습니다.

예를 들어 자동차에 레이더와 크루즈 컨트롤이 장착되어 있는 경우 언덕이 올라오는 것을 보고 가속하여 언덕을 올라가는 데 필요한 추가 힘을 보상할 수 있습니다. 사전 통지가 없으면 크루즈 컨트롤은 가속이 필요하다는 것을 결코 알지 못하여 설정값에 다시 도달할 때까지 수정 노력을 적용하는 폐쇄 루프로 이어집니다.

제어 루프의 각 유형에는 응용 프로그램이 있습니다. 개루프 제어는 한 번에 설정값을 달성할 수 있는 상황에 가장 적합합니다. 폐쇄 루프 제어는 설정값에 도달하기 위해 시행착오가 필요한 상황에 가장 적합합니다. 그리고 결합된 개방 및 폐쇄 루프 제어에는 수학적 모델이 필요하고 때로는 센서가 제대로 작동해야 합니다. 다양한 옵션을 통해 작업자는 필요에 따라 올바른 제어 루프를 적절하게 선택할 수 있습니다.

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