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OLTF, CLTF in feedback system

feedback system에서 open loop, closed loop가 헷갈림. 동영상 마지막에 closed loop transfer fucntion은 Routh-Hurwitz Criteria 말고 사용하지 않음.

Feedback Control System

개루프 시스템 → 폐루프 시스템 → 루프 개방(OLTF) → 전달함수 관계식

1. Feedback Control System 전체 흐름

제어 시스템은 개루프 시스템에서 시작하여, 출력의 피드백을 추가한 폐루프 시스템으로 확장된다.
Open Loop System → Closed Loop System → Loop Open → OLTF = GH → CLTF = G / (1 + GH)

가장 단순한 제어 구조는 입력이 플랜트를 직접 통과하여 출력을 만드는 Open Loop System이다.

여기에 출력 신호를 다시 입력측으로 되돌리는 Feedback 경로를 추가하면 Closed Loop System이 된다.

폐루프 시스템의 특성을 분석하기 위해 피드백 루프를 한 지점에서 개방하면 루프를 한 바퀴 도는 전달함수를 구할 수 있다.

OLTF = G(s)H(s)

Negative Feedback에서는 이 Open Loop Transfer Function이 Closed Loop Transfer Function의 분모를 결정한다.

CLTF = G(s) / [1 + G(s)H(s)]
입력과 출력의 직접 관계 → 출력 Feedback → Loop Gain 확인 → 폐루프 전달함수 → 특성방정식

2. 용어 정의

2.1 Open Loop System

Open Loop System은 출력 신호를 입력측으로 되돌리는 Feedback 경로가 없는 제어 시스템이다.

R(s) → G(s) → C(s)
입력

R(s)
출력

C(s)

입력 R(s)가 플랜트 또는 제어 대상 G(s)를 통과하면 출력 C(s)가 만들어진다.

C(s) = R(s)G(s)
C(s) / R(s) = G(s)
개루프 시스템에서는 입력과 전달함수의 곱으로 출력이 결정된다.

2.2 Closed Loop System

Closed Loop System은 출력 C(s)를 다시 입력측으로 되돌려 기준 입력 R(s)와 비교하는 제어 시스템이다.

R(s) → 비교기 → E(s) → G(s) → C(s) → H(s) → 비교기

출력은 Feedback 요소 H(s)를 통과하여 입력측의 비교기로 되돌아간다.

Negative Feedback에서는 기준 입력과 Feedback 신호의 차이가 오차 신호 E(s)가 된다.

E(s) = R(s) – H(s)C(s)

이 오차 신호가 G(s)에 입력된다.

C(s) = G(s)E(s)
Closed Loop System의 핵심은 출력 결과를 다시 입력측으로 되돌려 오차를 수정하는 것이다.

2.3 Negative Feedback

Negative Feedback은 Feedback 신호를 기준 입력에서 빼는 구조이다.

E = R – HC

출력은 다음과 같다.

C = GE

따라서

C = G(R – HC)

식을 전개하면

C = GR – GHC

출력 C에 대한 항을 한쪽으로 모으면

C(1 + GH) = GR

따라서 폐루프 전달함수는

C / R = G / (1 + GH)
Negative Feedback에서는 폐루프 전달함수의 분모가 1 + GH가 된다.

2.4 Open Loop Transfer Function

Open Loop Transfer Function은 폐루프 시스템의 피드백 루프를 한 지점에서 개방했을 때, 루프를 한 바퀴 따라가며 얻는 전달함수이다.

Loop Open → G(s) → H(s) → Loop Return

순방향 전달함수 G(s)와 피드백 전달함수 H(s)가 직렬로 연결되므로 Open Loop Transfer Function은 다음과 같다.

OLTF = G(s)H(s)
Open Loop System과 Open Loop Transfer Function은 같은 개념이 아니다.
Open Loop System

원래부터 Feedback 경로가 없는 시스템
OLTF

폐루프의 루프를 개방하여 구한 Loop 전달함수

2.5 Closed Loop Transfer Function

Closed Loop Transfer Function은 폐루프 상태에서 기준 입력 R(s)와 출력 C(s)의 관계를 나타낸다.

CLTF = C(s) / R(s)

Negative Feedback에서는

CLTF = G(s) / [1 + G(s)H(s)]

OLTF를 사용하면

OLTF = G(s)H(s)
CLTF = G(s) / [1 + OLTF]
OLTF는 루프 자체의 특성을 나타내고, CLTF는 실제 입력과 출력의 관계를 나타낸다.

2.6 Characteristic Equation

Negative Feedback 폐루프 전달함수의 분모는 다음과 같다.

1 + G(s)H(s)

폐루프 시스템의 특성방정식은 이 분모를 0으로 두어 얻는다.

1 + G(s)H(s) = 0

OLTF를 사용하면

1 + OLTF = 0
폐루프 안정도는 1 + GH = 0의 근, 즉 폐루프 극점과 직접 연결된다.

3. 용어 간 관계

구분 의미 핵심 관계식
Open Loop System Feedback이 없는 시스템 C/R = G
Closed Loop System 출력을 다시 입력측으로 Feedback E = R – HC
Negative Feedback Feedback 신호를 기준 입력에서 차감 E = R – HC
OLTF 루프를 개방했을 때 한 바퀴 전달함수 GH
CLTF 폐루프의 입력-출력 전달함수 G / (1 + GH)
Characteristic Equation 폐루프 극점을 결정하는 식 1 + GH = 0

Feedback Control System의 발전 과정

Open Loop → Feedback 추가 → Closed Loop → Loop Open → OLTF = GH → CLTF = G / (1 + GH) → 1 + GH = 0

가장 중요한 관계

OLTF = GH
CLTF = G / (1 + GH)
Characteristic Equation: 1 + GH = 0

4. 하나의 스토리로 이해하기

Step 1. 가장 단순하게 입력을 플랜트에 넣는다

먼저 Feedback을 고려하지 않는다.

R → G → C
C = RG
C / R = G

이것이 Open Loop System이다.

Step 2. 실제 출력이 원하는 값과 다른 문제가 발생한다

출력 C를 다시 측정하여 기준 입력 R과 비교한다.

Output → Feedback → Input과 비교

출력 Feedback이 추가되면서 Closed Loop System이 된다.

Step 3. 출력과 기준값의 차이를 만든다

Negative Feedback에서는 Feedback 신호 HC를 기준 입력에서 뺀다.

E = R – HC

이 E가 제어 시스템을 움직이는 오차 신호가 된다.

Step 4. 루프 자체의 특성을 보고 싶다

폐루프를 한 지점에서 개방하고 루프를 한 바퀴 따라가 본다.

Loop Open → G → H → Return
OLTF = GH

이것이 Open Loop Transfer Function이다.

Step 5. 다시 폐루프 전달함수를 구한다

E = R – HC
C = GE

두 식을 연결하면

C = G(R – HC)

정리하면

C(1 + GH) = GR

따라서

C / R = G / (1 + GH)

Step 6. 폐루프의 극점은 어디에서 결정되는가?

폐루프 전달함수의 분모를 확인한다.

1 + GH

이 분모가 0이 되는 지점이 폐루프 시스템의 극점이 된다.

1 + GH = 0
따라서 OLTF = GH를 알면 폐루프 전달함수와 특성방정식을 연결할 수 있다.

5. 핵심 기억 문장

  1. Open Loop System은 출력 Feedback이 없으며 C/R = G이다.
  2. Closed Loop System은 출력을 다시 입력측으로 Feedback한다.
  3. Negative Feedback의 오차는 E = R – HC이다.
  4. OLTF는 폐루프를 개방했을 때 루프를 한 바퀴 도는 전달함수이며 GH이다.
  5. Negative Feedback의 CLTF는 G / (1 + GH)이다.
  6. 폐루프 특성방정식은 1 + GH = 0이다.
  7. Open Loop System과 OLTF는 서로 다른 개념이다.

6. 최종 암기 구조

Open Loop System
↓
C / R = G
↓
Feedback 추가
↓
Closed Loop System
↓
E = R – HC
↓
Loop Open
↓
OLTF = GH
↓
CLTF = G / (1 + GH)
↓
Characteristic Equation
1 + GH = 0
한 문장 정리

Feedback Control System은 Feedback이 없는 Open Loop System에서 시작하여, 출력을 입력측으로 되돌리는 Closed Loop System으로 확장되고, 폐루프를 개방했을 때 얻는 OLTF = GH를 이용하여 Negative Feedback의 폐루프 전달함수 CLTF = G / (1 + GH)와 특성방정식 1 + GH = 0을 연결하여 이해할 수 있다.
Open Loop System, Closed Loop System, Negative Feedback, OLTF, CLTF, G(s), H(s), GH, Characteristic Equation

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