Подача вперед (управление)

Чтобы узнать о других значениях, см. Feedforward .

Три типа системы управления

1. Управление с разомкнутым контуром
2. Прямая связь
3. Управление с обратной связью (замкнутый контур)

( Прямая связь иногда пишется «упреждающая связь ») — это элемент или путь в системе управления , который передает управляющий сигнал от источника во внешней среде к нагрузке в другом месте во внешней среде. Часто это командный сигнал от внешнего оператора.

В технике управления система управления с упреждением — это система управления, которая использует датчики для обнаружения возмущений, влияющих на систему , а затем применяет дополнительный вход для минимизации эффекта возмущения. Для этого требуется математическая модель системы, чтобы можно было правильно спрогнозировать эффект возмущений.

Система управления, имеющая только упреждающее поведение, реагирует на управляющий сигнал заранее определенным образом, не реагируя на реакцию системы; это контрастирует с системой, которая также имеет обратную связь , которая корректирует входные данные с учетом того, как они влияют на систему и как сама система может меняться непредсказуемо.

В системе с прямой связью регулировка управляющей переменной не основана на ошибках. Вместо этого он основан на знаниях о процессе в форме математической модели процесса и знаниях или измерениях возмущений процесса.

Для того чтобы схема управления была надежной с помощью чистой прямой связи без обратной связи, необходимы некоторые предпосылки: должна быть доступна внешняя команда или управляющий сигнал, и должно быть известно влияние выхода системы на нагрузку (это обычно означает, что нагрузка должно быть предсказуемо неизменным со временем). Иногда чистое управление с прямой связью без обратной связи называют «баллистическим», поскольку после отправки управляющего сигнала его дальнейшая регулировка невозможна; любая корректирующая регулировка должна осуществляться посредством нового управляющего сигнала. Напротив, «круиз-контроль» регулирует выходную мощность в зависимости от нагрузки, с которой он сталкивается, с помощью механизма обратной связи.

Эти системы могут относиться к теории управления , физиологии или вычислениям .

Обзор

При прямом или прямом управлении помехи измеряются и учитываются до того, как они успеют повлиять на систему. В примере с домом система прямой связи может измерить факт открытия двери и автоматически включить обогреватель до того, как в доме станет слишком холодно. Трудность с упреждающим управлением заключается в том, что влияние возмущений на систему должно быть точно предсказано и не должно быть никаких неизмеренных возмущений. Например, если было открыто окно, измерения которого не проводились, термостат с упреждающим управлением может позволить дому остыть.

Этот термин имеет особое значение в области автоматического управления на базе ЦП . Дисциплина упреждающего управления в отношении современного автоматического управления на базе ЦП широко обсуждается, но редко практикуется из-за сложности и затрат на разработку или обеспечение математической модели, необходимой для облегчения этого типа управления. Гораздо более широко используются управление с разомкнутым контуром и управление с обратной связью, часто основанные на стандартных алгоритмах ПИД-регулирования .

Существует три типа систем управления: разомкнутый контур, прямая связь и обратная связь. Примером чисто разомкнутой системы управления является ручное рулевое управление автомобиля без усилителя; система рулевого управления не имеет доступа к вспомогательному источнику питания и не реагирует на переменное сопротивление повороту направляющих колес; водитель должен выполнить эту реакцию без помощи системы рулевого управления. Для сравнения, гидроусилитель руля имеет доступ к управляемому вспомогательному источнику энергии, который зависит от частоты вращения двигателя. При повороте руля открывается клапан, позволяющий жидкости под давлением вращать ведущие колеса. Датчик контролирует это давление, так что клапан открывается только настолько, чтобы обеспечить правильное давление, достигающее механизма поворота колеса. Это управление с упреждением, при котором выходной сигнал системы (изменение направления движения транспортного средства) не играет в системе никакой роли. См. Модель прогнозирующего управления .

Если в систему включен водитель, то они обеспечивают обратную связь, наблюдая за направлением движения и компенсируя ошибки поворотом руля. В этом случае у вас есть система обратной связи, а блок с надписью «Система» на рисунке (c) представляет собой систему прямой связи.

Другими словами, системы разных типов могут быть вложенными, и вся система может рассматриваться как « черный ящик» .

Управление с прямой связью заметно отличается от управления с разомкнутым контуром и телеоператорских систем. Для управления с упреждением требуется математическая модель установки (управляемого процесса и/или машины) и взаимосвязь установки с любыми входными данными или обратной связью, которые может получить система. Ни управление с разомкнутым контуром, ни телеоператорские системы не требуют сложной математической модели физической системы управляемой или объекта. Управление, основанное на вводе оператора без интегральной обработки и интерпретации посредством математической модели системы, является телеоператорской системой и не считается управлением с прямой связью.

История

Исторически использование термина прямая связь встречается в работах Гарольда С. Блэка в патенте США 1686792 (изобретен 17 марта 1923 г.) и Д.М. Маккея еще в 1956 г. Хотя работы Маккея относятся к области теории биологического контроля, он говорит только систем прямой связи. Маккей не упоминает управление с прямой связью и не намекает на дисциплину управления с прямой связью . Маккей и другие ранние авторы, использующие термин «упреждающая связь», обычно пишут о теориях того, как работает мозг человека или животного. Блэк также имеет патент США 2102671, изобретенный 2 августа 1927 года на технику обратной связи, применяемую в электронных системах.

Дисциплина прямого управления была в значительной степени разработана профессорами и аспирантами Технологического института Джорджии , Массачусетского технологического института , Стэнфорда и Карнеги-Меллона . В научных публикациях «прямая связь» обычно не пишется через дефис. Мекл и Сиринг из Массачусетского технологического института, а также Бук и Дикерсон из Технологического института Джорджии начали разработку концепции управления с прямой связью в середине 1970-х годов. К концу 1980-х годов дисциплина управления с прямой связью была четко определена во многих научных статьях, статьях и книгах.

Преимущества

Преимущества упреждающего управления значительны и часто могут оправдать дополнительные затраты, время и усилия, необходимые для внедрения этой технологии. Точность управления часто можно повысить на порядок, если математическая модель достаточно качественна и хорошо продумана реализация закона упреждающего управления. Потребление энергии системой упреждающего управления и ее приводом обычно существенно ниже, чем при использовании других средств управления. Стабильность повышается таким образом, что управляемое устройство может быть изготовлено из более дешевых, легких и упругих материалов, сохраняя при этом высокую точность и способность работать на высоких скоростях. Другие преимущества управления с упреждением включают снижение износа оборудования, снижение затрат на техническое обслуживание, повышение надежности и существенное снижение гистерезиса . Управление с прямой связью часто сочетается с управлением с обратной связью для оптимизации производительности.

Модель

Математическая модель установки (машины, процесса или организма), используемая системой упреждающего управления, может быть создана и введена инженером по управлению , или она может быть изучена системой управления. Системы управления, способные изучать и/или адаптировать свою математическую модель, стали более практичными по мере микропроцессоров увеличения скорости . Дисциплина современного управления с прямой связью сама по себе стала возможной благодаря изобретению микропроцессоров.

Управление с упреждением требует интеграции математической модели в алгоритм управления таким образом, чтобы она использовалась для определения управляющих воздействий на основе того, что известно о состоянии управляемой системы. В случае управления легкой и гибкой роботизированной рукой это может быть так же просто, как компенсация между тем, когда рука робота несет полезную нагрузку , а когда нет. Целевые углы шарниров регулируются для размещения полезной нагрузки в желаемом положении на основе знания отклонений в рычаге из интерпретации математической модели возмущения, вызванного полезной нагрузкой. Системы, которые планируют действия, а затем передают план для выполнения другой системе, не удовлетворяют приведенному выше определению управления с прямой связью. Если система не включает в себя средства обнаружения возмущения или получения входных данных и обработки этих входных данных с помощью математической модели для определения необходимой модификации управляющего воздействия, это не настоящее управление с прямой связью.

Открытая система

В теории систем открытая система — это система с прямой связью, которая не имеет обратной связи для управления ее выходными данными. Напротив, закрытая система использует петлю обратной связи для управления работой системы. В открытой системе выходные данные системы не передаются обратно на вход системы для управления или эксплуатации.

Приложения

Физиологическая система прямой связи

Основная статья: Нейронный нисходящий контроль физиологии

В физиологии примером упреждающего контроля является нормальная упреждающая регуляция сердцебиения перед фактической физической нагрузкой центральной вегетативной сетью . Упреждающий контроль можно сравнить с выученными упреждающими реакциями на известные сигналы ( прогностическое кодирование ). Регулирование сердцебиения по обратной связи обеспечивает дополнительную адаптивность к возможным физическим нагрузкам. Системы прямой связи также используются в биологическом контроле других переменных во многих областях мозга животных .

Даже в случае биологических систем прямой связи, таких как человеческий мозг , знания или мысленная модель растения (тела) могут считаться математическими, поскольку модель характеризуется ограничениями, ритмами, механикой и закономерностями.

Чистая система прямой связи отличается от системы гомеостатического контроля, функция которой заключается в поддержании внутренней среды организма в «постоянном» состоянии или в «длительном устойчивом состоянии готовности». Система гомеостатического управления опирается в основном на обратную связь (особенно отрицательную) в дополнение к элементам системы прямой связи.

Регуляция генов и прямая связь

Петли прямой связи (FFL), трехузловой граф формы A влияет на B и C, а B влияет на C, часто наблюдаются в сетях транскрипции у нескольких организмов, включая E. coli и S. cerevisiae , что позволяет предположить, что они выполняют функции, которые важны для функционирования этих организмов. В E. coli и S. cerevisiae транскрипционные сети были тщательно изучены, FFL встречаются примерно в три раза чаще, чем ожидалось на основе случайных ( Эрдёша-Реньи ). сетей

Края в транскрипционных сетях направлены и подписаны, поскольку они представляют собой активацию (+) или репрессию (-). Знак пути в транскрипционной сети можно получить путем умножения знаков ребер пути, поэтому путь с нечетным числом отрицательных знаков является отрицательным. Существует восемь возможных трехузловых FFL, поскольку каждая из трех стрелок может обозначать либо репрессию, либо активацию, которые можно разделить на когерентные или некогерентные FFL. Когерентные FFL имеют одинаковый знак для обоих путей от A до C, а некогерентные FFL имеют разные знаки для двух путей.

Временная динамика FFL показывает, что когерентные FFL могут быть знакочувствительными задержками, которые фильтруют входной сигнал в схему. Рассмотрим дифференциальные уравнения когерентного ФФЛ I рода, где все стрелки положительны:

${\frac {\delta B}{\delta t}}=\beta _{B}(A)-\gamma _{B}B$

${\frac {\delta C}{\delta t}}=\beta _{C}(A,B)-\gamma _{C}C$

Где $\beta _{y}$ и $\beta _{z}$ возрастают функции в $A$ и $B$ представляющие производство, и $\gamma _{Y}$ и $\gamma _{z}$ являются константами скорости, отражающими деградацию или разбавление $B$ и $C$ соответственно. $\beta _{C}(A,B)$ может представлять собой логический элемент И , где $\beta _{C}(A,B)=0$ если либо $A=0$ или $B=0$, например, если $\beta _{C}(A,B)=\beta _{C}\theta _{A}(A>k_{AC})\theta _{A}(B>k_{ABC})$ где $\theta _{A}$ и $\theta _{B}$ являются ступенчатыми функциями . В этом случае FFL создает временную задержку между устойчивым сигналом включения, т. е. увеличением $A$ и увеличение выпуска продукции в $C$. Это связано с тем, что производство $A$ сначала необходимо стимулировать производство $B$, что затем необходимо для стимулирования производства $C$. Однако временная задержка при отключении сигнала отсутствует, поскольку уменьшение $A$ сразу приводит к уменьшению срока производства $\beta _{C}(A,B)$. Таким образом, эта система фильтрует колебания сигнала включения и обнаруживает постоянные сигналы. Это особенно актуально в условиях стохастически изменяющихся сигналов. У бактерий эти цепи создают временные задержки от нескольких минут до нескольких часов.

Аналогично, вентиль «включающее ИЛИ» , в котором $C$ активируется либо $A$ или $B$ представляет собой чувствительную к знаку задержку без задержки после шага ВКЛ, но с задержкой после шага ВЫКЛ. Это связано с тем, что импульс ВКЛ немедленно активирует B и C, но шаг ВЫКЛ не приводит к немедленной деактивации C, поскольку B все еще может быть активным. Это может защитить систему от колебаний, которые приводят к временной потере сигнала включения, а также может обеспечить своего рода память. Калир, Манган и Алон, 2005 показывают, что система регуляции жгутиков в E. coli регулируется с помощью когерентной петли прямого распространения типа 1.

Например, регуляцию перехода от одного источника углерода к другому при диауктическом росте E. coli можно контролировать с помощью когерентного FFL типа 1. При диауктическом росте клетки растут с использованием двух источников углерода, сначала быстро потребляя предпочтительный источник углерода, а затем замедляя рост в лаг-фазе перед потреблением второго, менее предпочтительного источника углерода. В E. coli глюкоза предпочтительнее арабинозы и лактозы . Отсутствие глюкозы представлено небольшой молекулой цАМФ. Диауктический рост глюкозы и лактозы регулируется простой регуляторной системой, включающей цАМФ и lac-оперон . Однако рост арабинозы регулируется петлей прямого распространения с вентилем И, который обеспечивает примерно 20-минутную задержку между этапом включения, на котором концентрация цАМФ увеличивается при потреблении глюкозы, и моментом экспрессии переносчиков арабинозы. Сигнал ВЫКЛ не имеет временной задержки, возникающей при наличии глюкозы. Это предотвращает переход клеток к росту на арабинозе из-за кратковременных колебаний доступности глюкозы.

Кроме того, петли прямой связи могут облегчить клеточную память. Дончич и Скотхайм (2003) продемонстрировали этот эффект в регуляции спаривания дрожжей, когда внеклеточный феромон спаривания индуцирует поведение спаривания, включая предотвращение входа клеток в клеточный цикл. Феромон спаривания активирует путь MAPK, который затем активирует ингибитор клеточного цикла Far1 и фактор транскрипции Ste12, что, в свою очередь, увеличивает синтез неактивного Far1. В этой системе концентрация активного Far1 зависит от интеграла по времени от концентрации внешнего спаривающегося феромона. Эта зависимость от прошлых уровней спаривания феромонов является формой клеточной памяти. Эта система одновременно обеспечивает стабильность и обратимость.

Некогерентные петли прямой связи, в которых два пути от входа к выходному узлу имеют разные знаки, приводят к образованию коротких импульсов в ответ на сигнал ВКЛ. В этой системе вход A одновременно напрямую увеличивает и косвенно уменьшает синтез выходного узла C. Если непрямой путь к C (через B) медленнее, чем прямой путь, импульс выхода создается в период времени, прежде чем уровни B станут высокими. достаточно, чтобы ингибировать синтез C. Реакция на эпидермальный фактор роста (EGF) в делящихся клетках млекопитающих является примером некогерентного FFL типа 1.

Частое наблюдение петель прямой связи в различных биологических контекстах в разных масштабах позволяет предположить, что они обладают структурными свойствами, которые в высокой степени адаптивны во многих контекстах. Несколько теоретических и экспериментальных исследований, в том числе обсуждаемых здесь, показывают, что FFL создают для биологических систем механизм обработки и хранения информации, что важно для прогнозирования поведения и выживания в сложных динамически изменяющихся средах.

Системы прямой связи в вычислениях

Основная статья: Персептрон

В вычислительной технике прямая связь обычно относится к сети перцептронов , в которой выходные данные всех нейронов передаются на следующие, но не на предыдущие уровни нет , поэтому циклов обратной связи . Соединения устанавливаются на этапе обучения, то есть, по сути, когда система представляет собой систему обратной связи.

Междугородняя телефонная связь

В начале 1970-х годов в междугородних коаксиальных системах передачи, включая L-carrier , использовались усилители прямой связи для уменьшения линейных искажений. Этот более сложный метод обеспечивал более широкую полосу пропускания , чем более ранние системы обратной связи . оптическое волокно Однако сделало такие системы устаревшими еще до того, как многие из них были построены.

Автоматизация и управление станками

Упреждающее управление — это дисциплина в области автоматического управления, используемая в автоматизации.

Параллельная упреждающая компенсация с производной (PFCD)

Этот метод представляет собой скорее новую технику, которая изменяет фазу передаточной функции разомкнутой системы с неминимальной фазой в минимальную фазу .

См. также

• Черный ящик
• Предсказатель Смита

Дальнейшее чтение

• С. Манган А. Заславер и У. Алон, «Когерентная петля прямой связи служит знакочувствительным элементом задержки в сетях транскрипции», J. Molecular Biology 334: 197-204 (2003).
• Фосс С., Фосс К. и Трапп. (2002). Современные взгляды на риторику (3-е изд.). Уэйвленд Пресс, Инк.
• Книга, У.Дж. и Четинкунт, С., «Оптимальное управление гибкими манипуляторами роботов или фиксированными траекториями», Конференция IEEE по принятию решений и управлению. Декабрь 1985 года.
• Мекл, П.Х. и Сиринг, В.П., «Методы упреждающего управления обеспечивают быстрое время стабилизации в роботах», Материалы конференции по автоматическому управлению. 1986, стр. 58–64.
• Сакава Ю., Мацуно Ф. и Фукусима С., «Моделирование и управление гибкой рукой с обратной связью», Журнал робототехнических систем. Август 1985 г., стр. 453–472.
• Тракенбродт, А., «Моделирование и управление гибкими структурами манипулятора», 4-й симпозиум CISM-IFToMM, Варшава, 1981.
• Леу, М.К., Дуковски, В. и Ван, К.К., «Аналитическое и экспериментальное исследование жесткости роботов-манипуляторов с параллельными механизмами», Зимнее ежегодное собрание ASME, 1985 г., PRD-Vol. 15 Робототехника и автоматизация производства, стр. 137–144.
• Асада Х., Юсеф-Туми К. и Рамирес РБ, «Проектирование рычага прямого привода MIT», Int. Симп. по проектированию и синтезу, Япония, июль 1984 г.
• Рамериз, Р.Б., Проектирование высокоскоростной руки робота из графитового композита, магистерская диссертация, факультет медицины, Массачусетский технологический институт, февраль 1984 г.
• Балас, М.Дж., «Управление гибкими системами с обратной связью», IEEE Trans. по автоматическому управлению, том AC-23, № 4, август 1978 г., стр. 673–679.
• Балас, М.Дж., «Активное управление гибкими системами», журнал Optim. Т.е. и приложение, том 25, № 3, июль 1978 г.,
• Книга, В.Дж., Майццо Нето, О. и Уитни, Д.Э., «Управление с обратной связью двухлучевыми, двумя шарнирными системами с распределенной гибкостью», Журнал динамических систем, Измерение и контроль, Том 97, № 4, декабрь 1975 г., стр. . 424–430.
• Книга, WJ, «Анализ безмассовых упругих цепей с сервоуправляемыми соединениями», Журнал динамических систем, измерений и управления, том 101, сентябрь 1979 г., стр. 187–192.
• Книга, WJ, «Рекурсивная лагранжева динамика гибких манипуляторов с помощью матриц преобразования», Технический отчет Института робототехники Университета Карнеги-Меллона, CMU-RI-TR-8323, декабрь 1983 г.
• Хьюз, ПК, «Динамика гибкого манипулятора для космического челнока», Конференция по астродинамике AAS/AIAA, сентябрь 1977 г., Джексон-Лейк-Лодж, Вайоминг.
• Хьюз, ПК, «Динамика цепочки гибких тел», Журнал астронавтических наук, 27,4, октябрь-декабрь. 1979, стр. 359–380.
• Мейрович Л., «Моделирование и управление распределенными структурами», Учеб. семинара по применению теории распределенных систем к большим космическим структурам, JPL/CIT, NTIS № N83-36064, 1 июля 1983 г.
• Шмитц, Э., «Эксперименты по управлению положением конечной точки очень гибкого манипулятора с одним звеном», доктор философии. Диссертация, Стэнфордский университет, факультет аэро и астронавтики, июнь 1985 г.
• Мартин, Г.Д., Об управлении гибкими механическими системами, к.т.н. Диссертация, Стэнфордский университет, факультет ЭО, май 1978 г.
• Залуки А. и Хардт Д.Э., «Активный контроль отклонений конструкции робота», журнал «Динамические системы, измерения и контроль», Vol. 106, март 1984 г., стр. 63–69.
• Сангверафунсири, В., Оптимальное управление и проектирование гибкого манипулятора, доктор философии. Диссертация на кафедре мех. инженер, Технологический институт Джорджии, 1984. 1985.
• Немир, Д.К., Койво, А.Дж., и Кашьяп, Р.Л., «Псевдосвязи и самонастраивающееся управление нежестким механизмом связи», Университет Пердью, предварительный экземпляр, представленный для публикации, 1987.
• Видманн Г.Р. и Ахмад С. «Управление промышленными роботами с гибкими соединениями», Университет Пердью, предварительный экземпляр представлен для публикации, 1987 г.
• Холларс М.Г., Улик Ч.Р. и Кэннон Р.Х. «Сравнение развязанного и точного расчетного управления крутящим моментом для роботов с упругими шарнирами», предварительный экземпляр, представленный для публикации, 1987 г.
• Кэннон Р.Х. и Шмитц Э., «Начальные эксперименты по управлению конечной точкой гибкого однозвенного робота», Международный журнал исследований робототехники, ноябрь 1983 г.
• Остинг, К.В. и Дикерсон, С.Л., «Недорогой высокоскоростной автоматизированный контроль», 1991 г., Отраслевой отчет.
• Остинг, К.В. и Дикерсон, С.Л., «Упреждающее управление для стабилизации», 1987, ASME.
• Остинг, К.В. и Дикерсон, С.Л., «Управление легкой рукой робота», 1986, Международная конференция IEEE по промышленной автоматизации.
• Остинг, К.В., «Активируемая система слежения за солнечной энергией с упреждающим управлением», 2009 г., заявка на патент подана.
• Остинг, К.В., «Система упреждающего управления для солнечного трекера», 2009 г., заявка на патент подана.
• Остинг, К.В., «Интеллектуальное отслеживание солнечной энергии», июль 2010 г., презентация InterSolar NA