개루프 제어는 제어 시스템의 출력(제어 결과)을 피드백하여 제어 동작에 반영하지 않는 제어 방식

1. 정의

개루프 제어는 제어 시스템의 출력(제어 결과)을 피드백하여 제어 동작에 반영하지 않는 제어 방식입니다. 즉, 제어기는 미리 정해진 입력이나 순서에 따라 일방적으로 제어 신호를 보내고, 그 결과가 목표대로 되었는지는 확인하거나 보정하지 않습니다.

이는 세탁기가 세탁물의 오염 정도와 상관없이 설정된 시간 동안만 작동하거나, 토스터가 빵이 얼마나 구워졌는지 확인하지 않고 설정된 시간만큼만 작동하는 것과 같습니다. 오직 입력 설정(시간)에 따라서만 동작합니다.

 

2. 개루프 제어 시스템의 기본 구성 요소

폐루프 시스템보다 구조가 훨씬 단순합니다.

• 입력 (Input) 또는 명령 (Command): 시스템에 주어지는 동작 지시 또는 설정값입니다. (예: 세탁 시간 30분 설정)
• 제어기 (Controller): 입력을 받아, 미리 정해진 로직이나 설정에 따라 고정된 제어 신호(조작량)를 생성합니다. 출력 피드백을 받지 않습니다.
• 조작기 (Actuator / Final Control Element): 제어기의 신호를 받아 프로세스에 작용합니다. (예: 세탁기 모터 구동, 토스터 히터 켬)
• 프로세스 (Process / Plant) 또는 제어 대상: 제어되는 대상입니다. (예: 세탁 과정, 빵 굽는 과정)
• 출력 (Output): 프로세스의 최종 결과입니다. (예: 세탁 완료, 구워진 빵) 이 출력은 제어기에게 다시 전달되지 않습니다.

3. 동작 원리

1. 입력: 사용자가 명령(설정값)을 입력합니다.
2. 제어 연산: 제어기는 입력된 명령과 내부의 정해진 로직(예: 타이머 설정)에 따라 제어 신호를 결정합니다.
3. 조작: 제어 신호가 조작기로 전달되어 프로세스를 구동시킵니다.
4. 출력 발생: 프로세스가 작동하여 결과(출력)를 만들어냅니다.
5. 종료: 제어 동작은 출력 결과와는 무관하게 미리 정해진 대로만 수행되고 종료됩니다. 결과가 만족스럽지 않더라도 시스템 스스로 보정하지 않습니다.

4. 개루프 제어의 장점

• 단순성: 시스템 구조가 매우 간단하여 설계 및 구현이 쉽습니다.
• 저비용: 센서 및 복잡한 피드백 로직이 필요 없으므로 비용이 저렴합니다.
• 안정성: 피드백 루프가 없으므로, 폐루프 제어에서 발생할 수 있는 불안정성(진동, 발산) 문제가 원칙적으로 없습니다. (단, 프로세스 자체가 불안정하면 제어 불가)
• 빠른 응답: 피드백 측정 및 계산 시간이 없으므로 입력 변화에 대한 초기 반응이 빠를 수 있습니다.

5. 개루프 제어의 단점

• 부정확성: 실제 출력이 목표값과 일치하는지 보장할 수 없습니다. 오차가 발생해도 수정할 방법이 없습니다.
• 외란(Disturbance)에 취약: 외부 요인(예: 세탁물의 양 변화, 전압 변동, 주변 온도 변화)이 결과에 미치는 영향을 보상할 수 없어 출력 품질이 일정하지 않을 수 있습니다.
• 시스템 특성 변화에 민감: 부품의 노후화 등으로 시스템 특성이 변하면 제어 성능이 크게 저하됩니다.
• 정확한 사전 정보 필요: 원하는 출력을 얻기 위해서는 입력과 출력 간의 관계를 미리 정확히 파악하고 제어기를 설정(캘리브레이션)해야 합니다.
• 정밀 제어 부적합: 높은 정확도나 변화하는 환경에 대한 적응성이 요구되는 제어에는 적합하지 않습니다.

6. 개루프 제어의 적용 예시

• 간단한 타이머 기반 장치: 전자레인지, 구형 세탁기, 선풍기 타이머 등
• 고정된 순서 제어: 신호등(교통량 무관 고정 시간), 자동 판매기 등
• 스테핑 모터(오픈루프 구동 시): 피드백 없이 입력 펄스 수만큼 정확히 회전한다고 가정하고 구동 (단, 탈조 발생 가능성 있음)
• 컨베이어 벨트(고정 속도 운전 시): 설정된 속도로만 운전하고 실제 속도 피드백 없음
• 단순 밸브 On/Off 제어: 유량 측정 없이 밸브를 완전히 열거나 닫는 제어

7. 폐루프 제어와의 비교

가장 큰 차이점은 피드백의 유무입니다. 개루프 제어는 피드백이 없어 단순하고 저렴하지만 부정확하고 외란에 약합니다. 반면, 폐루프 제어는 피드백을 통해 정확하고 안정적인 제어가 가능하지만 시스템이 복잡하고 비용이 높으며 불안정해질 가능성이 있습니다.

 

결론적으로, 개루프 제어는 시스템이 매우 안정적이고 예측 가능하며, 외부 영향이 적고, 높은 정밀도가 요구되지 않는 경우에 적합한 간단하고 경제적인 제어 방식입니다. 하지만 대부분의 정밀하고 안정적인 제어가 필요한 산업 자동화 분야에서는 피드백을 통해 오차를 보정하고 외란에 대응할 수 있는 폐루프 제어가 주로 사용됩니다.