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開ループ システムと閉ループ システム: 主な違い、動作、利点、および用途

開ループ システムと閉ループ システムは、入力を与えたときにシステムがどのように応答するかを説明します。この記事では、各システムが何を行うのか、どのように機能するのか、そして結果を制御する上でフィードバックがなぜ重要なのかを学びます。また、それらのコンポーネントとアプリケーションがどのように異なるのかもわかります。これにより、各システムがどこで一般的に使用されているかを理解しやすくなります。

カタログ

図 1. 開ループ システムと閉ループ システム

オープンループシステムとは何ですか?

開ループ システムは、出力が監視されず、入力と比較されないタイプの制御システムです。制御アクションは、システムによって生成される実際の結果を考慮せず、指定された入力にのみ基づいて適用されます。フィードバック メカニズムがないため、システムは独自にエラーを検出または修正できません。変動や外乱は調整せずに出力に直接影響します。システムの動作は、事前定義された設定またはキャリブレーションに完全に依存します。開ループ制御システムは通常、その単純さと自動エラー修正の欠如によって定義されます。

クローズドループシステムとは何ですか?

閉ループ システムは、フィードバックを使用して実際の出力と必要な入力を継続的に比較する制御システムです。入力と出力の差はエラー信号と呼ばれ、制御動作を決定します。このフィードバックベースの比較により、システムは逸脱に自動的に対応できます。コントローラーは出力を調整して誤差を軽減または排除します。その結果、システムは望ましいパフォーマンスとのより密接な連携を維持します。閉ループ システムは、フィードバックを通じて自己調整する能力によって定義されます。

開ループ システムと閉ループ システムのコンポーネント

コンポーネント	オープンループ システム	閉店 ループシステム
入力 / 基準信号	入力を使用します 動作を開始しますが、出力との比較は行われません。	入力を使用します 実際の出力と継続的に比較されます。
コントローラー	固定メッセージを送信します 入力のみに基づいて動作を制御します。	調整します フィードバックに基づいてアクションを継続的に制御します。
アクチュエータ / 制御要素	動作します コントローラーのコマンドに従って検証なしで実行されます。	を変更します システムからのフィードバックに基づいたアクション。
出力 / プロセス	出力は 生成されたが、測定または修正されていない。	出力は 監視され、目的の値に一致するように修正されます。
センサー / 測定装置	センサーはありません 出力を測定するために使用されます。	センサー 出力を測定し、データをコントローラーに送信します。
フィードバック パス/コンパレータ	フィードバックはありません パスまたはエラーの比較。	フィードバックパス とコンパレータはエラー検出に不可欠です。

開ループシステムと閉ループシステムはどのように機能するのでしょうか?

オープンループシステム

図 2. オープンループシステムのブロック図

開ループ システムは、結果の出力をチェックせずに入力信号を処理することによって機能します。図に示すように、入力はコントローラーに直接適用され、作動信号が生成されます。この作動信号はプラントまたは処理システムに送信され、出力が生成されます。出力は前方にのみ移動し、いかなる形式でもコントローラーに返されません。フィードバック パスがないため、コントローラーは実際の出力に関する情報を持ちません。意図した結果と一致するかどうかに関係なく、出力が生成されると、システムはその動作を完了します。

クローズドループシステム

図 3. 閉ループ システムのブロック図

閉ループ システムは、出力と入力を継続的に比較してシステムの応答を制御することによって機能します。図では、入力はまずコンパレータに送信され、そこで出力からのフィードバック信号と比較されます。このコンパレータは、目的の入力と実際の出力の差を表すエラー信号を生成します。次に、エラー信号がコントローラに送信され、コントローラが適切な作動信号を生成します。この作動信号は、プラントまたは処理システムを駆動して出力を生成します。出力はフィードバック要素を介してコンパレータにフィードバックされ、継続的な調整を可能にする完全なループを形成します。

開ループ システムと閉ループ システムのアプリケーション

アプリケーション エリア	オープンループ システム	閉店 ループシステム
家庭用 家電製品	洗濯 マシン（タイマーベース）：出力を確認せずに一定時間動作します。	サーモスタット エアコンや冷蔵庫: フィードバックを使用して温度を調整します。
暖房と 料理	電子レンジ オーブン (時間制御): 加熱は事前に設定された時間のみに依存します。	温度管理済み オーブン: センサーを使用して熱を制御します。
交通と 交通機関	定時制 信号機: あらかじめ設定されたタイミングに基づいて信号を変更します。	クルーズ 制御システム: フィードバックを使用して車両速度を維持します。
産業用 機械	コンベア ベルト: 負荷監視なしで一定速度で動作します。	産業用 モーター速度制御: 負荷が変化しても速度を維持します。
パワーと 電気システム	基本的なバッテリー 充電器: 固定電圧または電流を供給します。	自動 電圧レギュレータ (AVR): 安定した出力電圧を維持します。
自動化 と制御	タイマーベース 灌漑システム: 事前に設定された期間作動します。	PLCベース プロセス制御システム: センサーのフィードバックを使用して動作を調整します。
ロボット工学と モーションコントロール	シンプル 反復マシン: 固定された動作を実行します。	サーボモーター およびロボットアーム: 位置と速度を正確に制御します。
流体と レベルコントロール	手動給水 ポンプ: レベル検知なしで動作します。	自動 水位コントローラー: フィードバックに基づいてポンプを開始および停止します。

オープンループシステムとクローズドループシステムの利点

オープンループシステムの利点

• シンプルなデザインでわかりやすい

• 部品点数が少ないため低コスト

• 速い応答時間

• 建設とメンテナンスが簡単

• センサーやフィードバック要素は不要

• フィードバックによる発振のない安定した動作

• 固定された予測可能な動作条件に最適

クローズドループシステムの利点

• 継続的なフィードバックによる高精度

• 自動エラー検出と修正

• 外乱の影響を受けにくい

• さまざまな負荷条件下でのパフォーマンスの向上

• 信頼性と一貫性の向上

• 不安定なプロセスを安定化する機能

• 複雑で精度を重視したアプリケーションに最適

オープンループシステムとクローズドループシステムの欠点

オープンループシステムの欠点

• フィードバックがないため、エラーを修正できません。

• 閉ループシステムより精度が低い

• 外乱やパラメータの変化に非常に敏感

• 出力は完全にキャリブレーションに依存します

• 変化する状況への適応力が低い

• 複雑な制御や精密な制御には適していません。

クローズドループシステムの欠点

• より複雑な設計と実装

• センサーとフィードバックコンポーネントによるコストの増加

• 定期的なメンテナンスと校正が必要

• フィードバック処理により応答が遅くなる

• 設計が不適切な場合、不安定または発振のリスク

• フィードバック要素の故障はシステムのパフォーマンスに影響を与える可能性があります

オープンループシステムとクローズドループシステムの比較

パラメータ	オープンループ システム	閉店 ループシステム
フィードバック 存在感	フィードバックはありません パスが使用されます。	フィードバックパス システムの重要な部分です。
制御 アクション	制御動作 入力信号のみに依存します。	制御 アクションは入力と出力の間の誤差に応じて異なります。
エラー 訂正	エラーはできません 自動的に検出または修正されます。	エラーとは、 継続的に検出および修正されます。
精度	精度が低い フィードバックがないため。	高精度 継続的なフィードバック制御によるものです。
複雑さ	シンプルなシステム 構造もデザインも。	より複雑な センサーとフィードバック回路によるものです。
安定性	当然のことながら 一定の条件下では安定します。	安定性 適切なフィードバック設計に依存します。
応答時間	より速く フィードバック処理が含まれていないため、応答が返されます。	わずかに フィードバックと比較プロセスにより遅くなります。
妨害 取り扱い	非常に 外乱の影響を受ける。	影響は少ない フィードバックが外乱を補償するためです。
信頼性	信頼性が低い 動作条件が変化したとき。	より信頼性の高い さまざまな条件下で。
センサー 要件	センサーは 必要ありません。	センサーは 出力を測定するために必要です。
メンテナンス	簡単に シンプルな構造なのでメンテナンスが容易です。	必要なもの 定期的なメンテナンスと校正。
適応性	貧しい 負荷や環境の変化に対する適応力。	高 変化や障害に対する適応力。

結論

開ループ システムはシンプルで低コストですが、フィードバックを使用しないためエラーを修正できません。閉ループシステムはフィードバックを使用して出力を調整し、より正確で信頼性の高いものになります。コンポーネント、動作、利点、および制限の違いは、フィードバックがシステムの動作にどのように影響するかを浮き彫りにします。これらのシステムのどちらを選択するかは、必要な精度、複雑さ、コスト、および動作条件によって異なります。