オープンループコントローラ

制御理論において、オープンループコントローラは非フィードバックコントローラとも呼ばれ、制御動作（システムへの「入力」^[1] ）が「プロセス出力」（制御されているプロセス変数）から独立している制御システムの制御ループ部分です。[ 2 ]出力^{が入力コマンドまたはプロセス}設定点の目的の目標を達成したかどうかを判断するためにフィードバックを使用しません。

バルブ、機械、照明、モーター、ヒーターなどのオン/オフ切り替えなど、フィードバックを必要とせずに通常の条件下で制御結果がほぼ十分であることがわかっているオープンループ制御は数多くあります。これらの場合にオープンループ制御を使用する利点は、コンポーネントの数と複雑さが減ることです。ただし、クローズドループ制御システムとは異なり、オープンループシステムでは、発生したエラーを修正したり、外部障害を修正したりすることはできません。

基本的に、制御ループには、オープンループ制御(フィードフォワード) とクローズドループ制御(フィードバック) の 2 種類があります。

オープンループ制御では、コントローラからの制御アクションは「プロセス出力」（または「制御されたプロセス変数」）とは無関係です。この良い例としては、建物の温度に関係なく、一定時間熱が加えられるようにタイマーのみで制御されるセントラルヒーティングボイラーが挙げられます。制御アクションはボイラーのオン/オフの切り替えですが、制御変数は建物の温度である必要がありますが、これはボイラーのオープンループ制御であり、温度のクローズドループ制御ではないため、そうではありません。

閉ループ制御では、コントローラからの制御動作はプロセス出力に依存します。ボイラーの例えでは、これには建物の温度を監視するサーモスタットが含まれ、それによってコントローラがサーモスタットで設定された温度に建物を維持するように信号をフィードバックします。したがって、閉ループコントローラにはフィードバックループがあり、コントローラが制御動作を実行して「参照入力」または「設定点」と同じプロセス出力を与えることを保証します。このため、閉ループコントローラはフィードバックコントローラとも呼ばれます。^[3]

英国規格協会による閉ループ制御システムの定義は、「監視フィードバックを備えた制御システムであり、このフィードバックの結果として形成された偏差信号は、偏差をゼロに減らす傾向があるように最終制御要素の動作を制御するために使用される。」^[4]

同様に、「フィードバック制御システムとは、あるシステム変数と別のシステム変数の関数を比較し、その差を制御手段として利用することで、あるシステム変数と別のシステム変数の所定の関係を維持するシステムである。」^[5]

オープンループ コントローラは、そのシンプルさと低コストのため、単純なプロセスでよく使用されます。特に、フィードバックが重要でないシステムではよく使用されます。典型的な例としては、古いモデルの家庭用衣類乾燥機が挙げられます。この機種では、乾燥時間の長さは完全に人間のオペレーターの判断に依存し、衣類の乾燥度に関する自動フィードバックはありません。

たとえば、設定された時間に作動するようにプログラムされた灌漑スプリンクラーシステムは、フィードバックの形で土壌 水分を測定しない場合は、オープン ループ システムの例になります。芝生に雨が降り注いでいる場合でも、スプリンクラー システムはスケジュールどおりに作動し、水を無駄にします。

もう 1 つの例は、位置の制御に使用されるステッピング モーターです。一連の電気パルスを送信すると、モーターはその数だけ正確に回転するため、この名前が付けられています。位置フィードバックなしで、モーターが常に各動作を正しく実行すると想定される場合は、オープン ループ制御になります。ただし、位置エンコーダー、または開始位置または終了位置を示すセンサーがある場合は、多くのインクジェット プリンターのように、クローズド ループ制御になります。ステッパーのオープン ループ制御の欠点は、マシンの負荷が高すぎる場合、またはモーターの動きが速すぎる場合に、ステップがスキップされる可能性があることです。コントローラーにはこれを検出する手段がないため、マシンはリセットされるまでわずかに調整がずれた状態で動作し続けます。このため、より複雑なロボットや工作機械では、ステッピング モーターではなく、エンコーダーとクローズド ループ コントローラーを組み込んだサーボモーターが使用されます。

ただし、オープン ループ制御は、入力と結果の状態の関係を数式で確実にモデル化できる、明確に定義されたシステムでは非常に便利で経済的です。たとえば、一定の負荷を駆動する電気モーターに供給される電圧を決定して、希望の速度を達成するのは、適切なアプリケーションです。ただし、負荷が予測できず、過剰になった場合、モーターの速度は電圧だけでなく負荷の関数として変化する可能性があり、オープン ループ コントローラーでは速度の繰り返し制御を保証するのに不十分です。

一例として、一定速度で移動する必要があるコンベア システムがあります。一定電圧の場合、コンベアはモーターの負荷 (ここではコンベア上の物体の重量で表されます) に応じて異なる速度で移動します。コンベアを一定速度で動作させるには、負荷に応じてモーターの電圧を調整する必要があります。この場合、閉ループ制御システムが必要になります。

したがって、バルブ、ライト、モーター、ヒーターなどのオン/オフの切り替えなど、フィードバックを必要とせずに結果がほぼ十分であることがわかっているオープンループ制御が多数あります。

PID コントローラなどのフィードバック制御システムは、 PID コントローラのフィードバック(または閉ループ制御) とフィードフォワード(または開ループ) 制御を組み合わせることで改善できます。システムに関する情報 (必要な加速度や慣性など) をフィードフォワードし、PID 出力と組み合わせることで、システム全体のパフォーマンスを改善できます。フィードフォワード値だけで、コントローラ出力の大部分を提供できる場合がよくあります。PID コントローラは主に、設定点 (SP) と開ループ制御に対するシステム応答の間に残っている差異または誤差を補正する必要があります。フィードフォワード出力はプロセス フィードバックの影響を受けないため、制御システムが振動することはなく、安定性に影響を与えずにシステム応答を改善できます。フィードフォワードは、設定点と追加の測定外乱に基づくことができます。設定点の重み付けは、フィードフォワードの単純な形式です。

たとえば、ほとんどのモーション コントロール システムでは、制御下にある機械負荷を加速するには、アクチュエータからより大きな力が必要です。速度ループ PID コントローラを使用して負荷の速度を制御し、アクチュエータによって適用される力を制御している場合は、必要な瞬間加速度を取得し、その値を適切にスケーリングして、PID 速度ループ コントローラの出力に追加すると便利です。つまり、負荷が加速または減速されるたびに、フィードバック値に関係なく、比例した量の力がアクチュエータから制御されます。この状況の PID ループは、フィードバック情報を使用して結合出力を変更し、プロセス設定値とフィードバック値の間の残りの差を減らします。結合されたオープン ループ フィードフォワード コントローラとクローズド ループ PID コントローラを連携させることで、状況によってはより応答性の高い制御システムを実現できます。

• カタラクト、初期のビームエンジンのオープンループ速度制御装置
• 制御理論
• フィードフォワード
• PIDコントローラ
• プロセス制御
• オープンループ伝達関数

• Kuo, Benjamin C. (1991). Automatic Control Systems (第 6 版). ニュージャージー: Prentice Hall. ISBN 0-13-051046-7 . 
• Ziny Flikop (2004)。「制限付き入力、制限付き定義済み制御、制限付き出力」(http://arXiv.org/pdf/cs/0411015)
• Basso, Christophe (2012)。「リニアおよびスイッチング電源の制御ループの設計: チュートリアル ガイド」。Artech House、ISBN 978-1608075577