Control previo)

Paradigma de control en el que los errores se miden antes de que puedan afectar a un sistema.

Los tres tipos de sistema de control ^[1]

1. Control de bucle abierto
2. avance
3. Control de retroalimentación (bucle cerrado)

Una retroalimentación (a veces escrita como retroalimentación ) es un elemento o vía dentro de un sistema de control que pasa una señal de control desde una fuente en su entorno externo a una carga en otro lugar de su entorno externo. Suele ser una señal de comando de un operador externo.

En ingeniería mecánica , un sistema de control anticipado es un sistema de control que utiliza sensores para detectar perturbaciones que afectan a la máquina y luego aplica una entrada adicional para minimizar el efecto de la perturbación. Esto requiere un modelo matemático de la máquina para poder predecir adecuadamente el efecto de las perturbaciones. ^[2]

Un sistema de control que sólo tiene un comportamiento de retroalimentación responde a su señal de control de una manera predefinida sin responder a la forma en que reacciona la carga; contrasta con un sistema que también tiene retroalimentación , que ajusta la entrada para tener en cuenta cómo afecta a la carga y cómo la carga misma puede variar de manera impredecible; Se considera que la carga pertenece al entorno externo del sistema.

En un sistema de avance, el ajuste de la variable de control no se basa en errores. Más bien, se basa en el conocimiento sobre el proceso en forma de un modelo matemático del proceso y en el conocimiento o mediciones de las perturbaciones del proceso. ^[3]

Se necesitan algunos requisitos previos para que el esquema de control sea confiable mediante pura retroalimentación sin retroalimentación: el comando externo o la señal de control debe estar disponible, y se debe conocer el efecto de la salida del sistema sobre la carga (eso generalmente significa que la carga debe ser predeciblemente invariable con el tiempo). A veces, el control de avance puro sin retroalimentación se denomina "balístico", porque una vez que se ha enviado una señal de control, no se puede ajustar más; cualquier ajuste correctivo deberá ser mediante una nueva señal de control. Por el contrario, el "control de crucero" ajusta la salida en respuesta a la carga que encuentra, mediante un mecanismo de retroalimentación.

Estos sistemas podrían relacionarse con la teoría del control , la fisiología o la informática .

Descripción general

Con el control anticipativo o feed-forward, las perturbaciones se miden y contabilizan antes de que tengan tiempo de afectar al sistema. En el ejemplo de la casa, un sistema de alimentación anticipada puede medir el hecho de que la puerta está abierta y encender automáticamente el calentador antes de que la casa se enfríe demasiado. La dificultad del control anticipado es que los efectos de las perturbaciones en el sistema deben predecirse con precisión y no debe haber perturbaciones no medidas. Por ejemplo, si se abría una ventana que no se estaba midiendo, el termostato controlado por avance podría dejar que la casa se enfriara.

El término tiene un significado específico dentro del campo del control automático basado en CPU . La disciplina del control anticipativo en relación con los controles automáticos modernos basados ​​en CPU se discute ampliamente, pero rara vez se practica debido a la dificultad y el costo de desarrollar o proporcionar el modelo matemático requerido para facilitar este tipo de control. El control de bucle abierto y el control de retroalimentación, a menudo basados ​​en algoritmos de control PID predefinidos , se utilizan mucho más ampliamente. ^{[4] [5] [6]}

Hay tres tipos de sistemas de control: bucle abierto, feed-forward y retroalimentación. Un ejemplo de un sistema de control de bucle abierto puro es la dirección manual no asistida de un automóvil; el sistema de dirección no tiene acceso a una fuente de energía auxiliar y no responde a la resistencia variable al giro de las ruedas direccionales; el conductor debe dar esa respuesta sin ayuda del sistema de dirección. En comparación, la dirección asistida tiene acceso a una fuente de energía auxiliar controlada, que depende de la velocidad del motor. Cuando se gira el volante, se abre una válvula que permite que el fluido bajo presión haga girar las ruedas motrices. Un sensor monitorea esa presión para que la válvula solo se abra lo suficiente como para hacer que llegue la presión correcta al mecanismo de giro de la rueda. Se trata de un control anticipado en el que la salida del sistema, el cambio de dirección de marcha del vehículo, no desempeña ningún papel en el sistema. Consulte Control predictivo del modelo .

Si el conductor está incluido en el sistema, entonces proporciona una ruta de retroalimentación al observar la dirección de viaje y compensar los errores girando el volante. En ese caso, tiene un sistema de retroalimentación y el bloque denominado Sistema en la Figura (c) es un sistema de retroalimentación.

En otras palabras, se pueden anidar sistemas de diferentes tipos y considerar el sistema en general como una caja negra .

El control anticipado es claramente diferente del control de bucle abierto y de los sistemas de teleoperador . El control anticipado requiere un modelo matemático de la planta (proceso y/o máquina que se controla) y la relación de la planta con cualquier entrada o retroalimentación que el sistema pueda recibir. Ni el control de bucle abierto ni los sistemas de teleoperador requieren la sofisticación de un modelo matemático del sistema físico o planta que se controla. El control basado en la entrada del operador sin procesamiento e interpretación integral a través de un modelo matemático del sistema es un sistema de teleoperador y no se considera control anticipado. ^{[7] [8]}

Historia

Históricamente, el uso del término feedforward se encuentra en los trabajos de Harold S. Black en la patente estadounidense 1686792 (inventada el 17 de marzo de 1923) y DM MacKay ya en 1956. Si bien el trabajo de MacKay se centra en el campo de la teoría del control biológico, sólo habla de sistemas feedforward. MacKay no menciona el control anticipado ni alude a la disciplina de los controles anticipados . MacKay y otros de los primeros escritores que utilizan el término feedforward generalmente escriben sobre teorías sobre cómo funcionan los cerebros humanos o animales. ^[9] Black también tiene la patente estadounidense 2102671, inventada el 2 de agosto de 1927 sobre la técnica de retroalimentación aplicada a sistemas electrónicos.

La disciplina de los controles feedforward fue desarrollada en gran medida por profesores y estudiantes de posgrado de Georgia Tech , MIT , Stanford y Carnegie Mellon . Feedforward no suele tener guiones en las publicaciones académicas. Meckl y Seering del MIT y Book y Dickerson de Georgia Tech comenzaron el desarrollo de los conceptos de Feedforward Control a mediados de los años 1970. La disciplina de los controles anticipados estaba bien definida en muchos trabajos, artículos y libros académicos a finales de los años 1980. ^{[7] [10] [11] [12]}

Beneficios

Los beneficios del control anticipado son significativos y a menudo pueden justificar el costo, el tiempo y el esfuerzo adicionales necesarios para implementar la tecnología. La precisión del control a menudo puede mejorarse hasta en un orden de magnitud si el modelo matemático es de suficiente calidad y la implementación de la ley de control anticipado está bien pensada. El consumo de energía del sistema de control anticipado y su controlador suele ser sustancialmente menor que con otros controles. La estabilidad se mejora de tal manera que el dispositivo controlado puede construirse con materiales más económicos, más livianos y más elásticos, sin dejar de ser altamente preciso y capaz de operar a altas velocidades. Otros beneficios del control anticipativo incluyen un menor desgaste del equipo, menores costos de mantenimiento, mayor confiabilidad y una reducción sustancial de la histéresis . El control anticipado a menudo se combina con el control de retroalimentación para optimizar el rendimiento. ^{[7] [13] [14] [15] [11]}

Modelo

El modelo matemático de la planta (máquina, proceso u organismo) utilizado por el sistema de control anticipativo puede ser creado e ingresado por un ingeniero de control o puede ser aprendido por el sistema de control. ^[16] Los sistemas de control capaces de aprender y/o adaptar su modelo matemático se han vuelto más prácticos a medida que aumentan las velocidades de los microprocesadores . La disciplina del control anticipativo moderno fue posible gracias a la invención de los microprocesadores. ^{[7] [8]}

El control anticipado requiere la integración del modelo matemático en el algoritmo de control de modo que se utilice para determinar las acciones de control en función de lo que se sabe sobre el estado del sistema que se está controlando. En el caso del control de un brazo robótico flexible y liviano , esto podría ser tan simple como compensar entre cuándo el brazo robótico lleva una carga útil y cuándo no. Los ángulos de las articulaciones objetivo se ajustan para colocar la carga útil en la posición deseada basándose en el conocimiento de las desviaciones en el brazo a partir de la interpretación del modelo matemático de la perturbación causada por la carga útil. Los sistemas que planifican acciones y luego pasan el plan a un sistema diferente para su ejecución no satisfacen la definición anterior de control anticipativo. A menos que el sistema incluya un medio para detectar una perturbación o recibir una entrada y procesar esa entrada a través del modelo matemático para determinar la modificación requerida a la acción de control, no es un verdadero control anticipativo. ^{[17] [18] [19]}

Sistema abierto

En teoría de sistemas , un sistema abierto es un sistema de retroalimentación que no tiene ningún circuito de retroalimentación para controlar su salida. Por el contrario, un sistema cerrado utiliza un circuito de retroalimentación para controlar el funcionamiento del sistema. En un sistema abierto, la salida del sistema no se retroalimenta a la entrada del sistema para su control u operación. ^{[ cita necesaria ]}

Aplicaciones

Sistema de retroalimentación fisiológica

En fisiología , el control de retroalimentación se ejemplifica mediante la regulación anticipatoria normal de los latidos del corazón antes del esfuerzo físico real por parte de la red autónoma central . El control de retroalimentación puede compararse con respuestas anticipatorias aprendidas a señales conocidas ( codificación predictiva ). La regulación por retroalimentación de los latidos del corazón proporciona una mayor adaptabilidad a las eventualidades del esfuerzo físico. Los sistemas de alimentación anticipada también se encuentran en el control biológico de otras variables en muchas regiones del cerebro de los animales . ^{[ cita necesaria ]}

Incluso en el caso de los sistemas biológicos de retroalimentación, como en el cerebro humano , el conocimiento o un modelo mental de la planta (cuerpo) puede considerarse matemático, ya que el modelo se caracteriza por límites, ritmos, mecánicas y patrones. ^{[9] [17]}

Un sistema de retroalimentación puro es diferente de un sistema de control homeostático , que tiene la función de mantener el ambiente interno del cuerpo "estable" o en un "estado estable prolongado de preparación". Un sistema de control homeostático se basa principalmente en la retroalimentación (especialmente negativa), además de los elementos de retroalimentación del sistema.

Regulación genética y feed-forward.

Los bucles de retroalimentación (FFL), un gráfico de tres nodos de la forma A afecta a B y C y B afecta a C, se observan con frecuencia en redes de transcripción en varios organismos, incluidos E. coli y S. cerevisiae , lo que sugiere que realizan funciones que son importantes para el funcionamiento de estos organismos. En E. coli y S. cerevisiae , las redes de transcripción se han estudiado ampliamente, las FFL ocurren aproximadamente tres veces más frecuentemente de lo esperado según las redes aleatorias ( Erdös-Rényi ). ^{[20] [21]}

Los bordes en las redes de transcripción están dirigidos y firmados, ya que representan activación (+) o represión (-). El signo de un camino en una red de transcripción se puede obtener multiplicando los signos de los bordes del camino, por lo que un camino con un número impar de signos negativos es negativo. Hay ocho posibles FFL de tres nodos, ya que cada una de las tres flechas puede ser represión o activación, que se pueden clasificar en FFL coherentes o incoherentes. Las FFL coherentes tienen el mismo signo para ambos caminos de A a C, y las FFL incoherentes tienen signos diferentes para los dos caminos. ^[22]

La dinámica temporal de las FFL muestra que las FFL coherentes pueden ser retrasos sensibles a los signos que filtran la entrada al circuito. Consideramos las ecuaciones diferenciales para una FFL coherente Tipo I, donde todas las flechas son positivas:

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

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

Donde y son funciones crecientes en y representan la producción, y y son constantes de velocidad que representan la degradación o dilución de y respectivamente. puede representar una puerta AND donde si o , por ejemplo, si donde y son funciones escalonadas . En este caso, la FFL crea un retraso de tiempo entre una señal activa sostenida, es decir, un aumento de y el aumento de la producción . Esto se debe a que la producción de primero debe inducir la producción de , que luego es necesaria para inducir la producción de . Sin embargo, no hay ningún retraso para una señal de apagado porque una reducción inmediata da como resultado una disminución en el plazo de producción . Por lo tanto, este sistema filtra las fluctuaciones en la señal de encendido y detecta señales persistentes. Esto es particularmente relevante en entornos con señales que fluctúan estocásticamente. En las bacterias, estos circuitos crean retrasos que van desde unos pocos minutos hasta unas pocas horas. ^{[22] [23]} ${\displaystyle \beta _{y}}$ ${\displaystyle \beta _{z}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \gamma _{Y}}$ ${\displaystyle \gamma _{z}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$ ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=0}$ ${\displaystyle A=0}$ ${\displaystyle B=0}$ ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)=\beta _{C}\theta _{A}(A>k_{AC})\theta _{A}(B>k_{ABC})}$ ${\displaystyle \theta _{A}}$ ${\displaystyle \theta _{B}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \beta _{C}(A,B)}$

De manera similar, una puerta OR inclusiva en la que se activa mediante o es un retraso sensible al signo sin retraso después del paso ON pero con un retraso después del paso OFF. Esto se debe a que un pulso de ENCENDIDO activa inmediatamente B y C, pero un paso de APAGADO no resulta inmediatamente en la desactivación de C porque B aún puede estar activo. Esto puede proteger el sistema de fluctuaciones que resultan en la pérdida transitoria de la señal ON y también puede proporcionar una forma de memoria. Kalir, Mangan y Alon, 2005 muestran que el sistema regulador de los flagelos en E. coli está regulado con un bucle de alimentación coherente de tipo 1. ^[24] ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$

Por ejemplo, la regulación del cambio de una fuente de carbono a otra en el crecimiento diáuxico en E. coli se puede controlar mediante una FFL coherente tipo 1. En el crecimiento diáuxico, las células crecen utilizando dos fuentes de carbono consumiendo primero rápidamente la fuente de carbono preferida y luego desacelerando el crecimiento en una fase de retraso antes de consumir la segunda fuente de carbono menos preferida. En E. coli, se prefiere la glucosa a la arabinosa y la lactosa . La ausencia de glucosa se representa mediante una pequeña molécula de AMPc. El crecimiento diáuxico en glucosa y lactosa está regulado por un sistema regulador simple que involucra AMPc y el operón lac . Sin embargo, el crecimiento de arabinosa está regulado por un circuito de alimentación directa con una puerta AND que confiere un retraso de aproximadamente 20 minutos entre el paso ON en el que la concentración de AMPc aumenta cuando se consume glucosa y cuando se expresan los transportadores de arabinosa. No hay ningún retraso con la señal de apagado que se produce cuando hay glucosa presente. Esto evita que la célula pase a crecer con arabinosa basándose en fluctuaciones a corto plazo en la disponibilidad de glucosa. ^[25]

Además, los bucles de retroalimentación pueden facilitar la memoria celular. Doncic y Skotheim (2003) muestran este efecto en la regulación del apareamiento de la levadura, donde la feromona de apareamiento extracelular induce el comportamiento de apareamiento, incluida la prevención de que las células entren en el ciclo celular. ^[26] La feromona de apareamiento activa la vía MAPK, que luego activa el inhibidor del ciclo celular Far1 y el factor de transcripción Ste12, que a su vez aumenta la síntesis de Far1 inactivo. En este sistema, la concentración de Far1 activo depende de la integral de tiempo de una función de la concentración de feromonas de apareamiento externas. Esta dependencia de niveles pasados ​​de feromonas de apareamiento es una forma de memoria celular. Este sistema permite simultáneamente la estabilidad y la reversibilidad.

Los bucles de avance incoherentes, en los que las dos rutas desde la entrada al nodo de salida tienen signos diferentes, dan como resultado pulsos cortos en respuesta a una señal ON. En este sistema, la entrada A simultáneamente aumenta directamente y disminuye indirectamente la síntesis del nodo de salida C. Si la ruta indirecta a C (a través de B) es más lenta que la ruta directa, se produce un pulso de salida en el período de tiempo antes de que los niveles de B sean altos. suficiente para inhibir la síntesis de C. La respuesta al factor de crecimiento epidérmico (EGF) en células de mamíferos en división es un ejemplo de FFL incoherente de tipo 1. ^[27]

La observación frecuente de bucles de retroalimentación en diversos contextos biológicos a través de múltiples escalas sugiere que tienen propiedades estructurales que son altamente adaptativas en muchos contextos. Varios estudios teóricos y experimentales, incluidos los discutidos aquí, muestran que las FFL crean un mecanismo para que los sistemas biológicos procesen y almacenen información, lo cual es importante para el comportamiento predictivo y la supervivencia en entornos complejos que cambian dinámicamente.

Sistemas feed-forward en informática

En informática , la retroalimentación normalmente se refiere a una red de perceptrones en la que las salidas de todas las neuronas van a las capas siguientes pero no a las anteriores , por lo que no hay bucles de retroalimentación . Las conexiones se establecen durante una fase de entrenamiento, que en realidad es cuando el sistema es un sistema de retroalimentación.

telefonía de larga distancia

A principios de la década de 1970, los sistemas de transmisión coaxial interurbanos, incluido el portador L , utilizaban amplificadores de alimentación directa para disminuir la distorsión lineal. Este método más complejo permitió un ancho de banda más amplio que los sistemas de retroalimentación anteriores . La fibra óptica , sin embargo, hizo que estos sistemas quedaran obsoletos antes de que se construyeran muchos.

Automatización y control de máquinas.

El control anticipado es una disciplina dentro del campo de los controles automáticos utilizados en la automatización.

Compensación anticipada paralela con derivada (PFCD)

El método es más bien una técnica nueva que cambia la fase de una función de transferencia de bucle abierto de un sistema de fase no mínima a una fase mínima . ^[28]

Ver también

• Caja negra
• predictor de Smith

Referencias

1. Basado en Hopgood (2002)
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Otras lecturas

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