Avance (control)

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 lazo abierto
2. Retroalimentación hacia adelante
3. Control de retroalimentación (bucle cerrado)

Un feed forward (a veces escrito feedforward ) es un elemento o ruta dentro de un sistema de control que transmite una señal de control desde una fuente en su entorno externo a una carga en otra parte de su entorno externo. Suele ser una señal de comando de un operador externo.

En ingeniería de control , un sistema de control de avance es un sistema de control que utiliza sensores para detectar perturbaciones que afectan al sistema y luego aplica una entrada adicional para minimizar el efecto de la perturbación. Esto requiere un modelo matemático del sistema para que el efecto de las perturbaciones se pueda predecir adecuadamente. ^[2]

Un sistema de control que solo tiene un comportamiento de retroalimentación responde a su señal de control de una manera predefinida sin responder a la forma en que reacciona el sistema; esto contrasta con un sistema que también tiene retroalimentación , que ajusta la entrada para tener en cuenta cómo afecta al sistema y cómo el sistema mismo puede variar de manera impredecible.

En un sistema de alimentación hacia adelante, el ajuste de la variable de control no se basa en errores, sino en el conocimiento del proceso en forma de un modelo matemático del proceso y en el conocimiento o medición de las perturbaciones del proceso. ^[3]

Se necesitan algunos requisitos previos para que el esquema de control sea confiable mediante un método de alimentación directa puro sin retroalimentación: el comando externo o la señal de control deben estar disponibles y el efecto de la salida del sistema sobre la carga debe ser conocido (eso generalmente significa que la carga debe ser predeciblemente invariable con el tiempo). A veces, el control de alimentación directa 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 debe realizarse mediante una nueva señal de control. En contraste, el "control de crucero" ajusta la salida en respuesta a la carga que encuentra, mediante un mecanismo de retroalimentación.

Estos sistemas podrían estar relacionados con la teoría de control , la fisiología o la informática .

Descripción general

Con el control de alimentación anticipada o feedforward, las perturbaciones se miden y se tienen en cuenta 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 la calefacción antes de que la casa pueda enfriarse demasiado. La dificultad con el control de alimentación anticipada es que los efectos de las perturbaciones en el sistema deben predecirse con precisión y no debe haber ninguna perturbación sin medir. Por ejemplo, si se abre una ventana que no se está midiendo, el termostato controlado por alimentación anticipada puede dejar que la casa se enfríe.

El término tiene un significado específico dentro del campo del control automático basado en CPU . La disciplina del control de avance en relación con los controles automáticos modernos basados ​​en CPU es ampliamente discutida, 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 enlatados , son mucho más utilizados. ^{[4] [5] [6]}

Existen tres tipos de sistemas de control: de bucle abierto, de avance y de 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 para hacer que la presión correcta llegue al mecanismo de giro de las ruedas. Este es el control de avance donde la salida del sistema, el cambio en la dirección de viaje del vehículo, no juega ningún papel en el sistema. Consulte Control predictivo de modelos .

Si el conductor está incluido en el sistema, entonces proporciona una ruta de retroalimentación observando la dirección del viaje y compensando los errores al girar el volante. En ese caso, se 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 global como una caja negra .

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

Historia

Históricamente, el uso del término feedforward se encuentra en 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 está en el campo de la teoría del control biológico, solo habla de sistemas feedforward. MacKay no menciona el control feedforward ni alude a la disciplina de los controles feedforward . MacKay y otros escritores tempranos que usan el término feedforward generalmente escriben sobre teorías de 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 de avance fue desarrollada en gran parte por profesores y estudiantes de posgrado en Georgia Tech , MIT , Stanford y Carnegie Mellon . El control de avance no suele ir acompañado de un guión en las publicaciones académicas. Meckl y Seering del MIT y Book y Dickerson del Georgia Tech comenzaron el desarrollo de los conceptos de control de avance a mediados de la década de 1970. La disciplina de los controles de avance estaba bien definida en muchos artículos, trabajos y libros académicos a finales de la década de 1980. ^{[7] [10] [11] [12]}

Beneficios

Los beneficios del control de avance son significativos y a menudo pueden justificar el costo, tiempo y esfuerzo adicionales requeridos para implementar la tecnología. La precisión del control a menudo se puede mejorar hasta en un orden de magnitud si el modelo matemático es de suficiente calidad y la implementación de la ley de control de avance está bien pensada. El consumo de energía por parte del sistema de control de avance y su controlador es típicamente sustancialmente menor que con otros controles. La estabilidad se mejora de tal manera que el dispositivo controlado se puede construir con materiales de menor costo, peso más ligero y más elásticos, sin dejar de ser altamente preciso y capaz de operar a altas velocidades. Otros beneficios del control de avance incluyen un menor desgaste del equipo, menores costos de mantenimiento, mayor confiabilidad y una reducción sustancial en la histéresis . El control de avance 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 de avance puede ser creado e introducido 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 la velocidad de los microprocesadores ha aumentado. La disciplina del control de avance moderno fue posible gracias a la invención de los microprocesadores. ^{[7] [8]}

El control de avance 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 conoce sobre el estado del sistema que se está controlando. En el caso del control de un brazo robótico ligero y flexible , esto podría ser tan simple como compensar entre cuándo el brazo robótico lleva una carga útil y cuándo no. Los ángulos de articulación objetivo se ajustan para colocar la carga útil en la posición deseada en función del conocimiento de las deflexiones 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 de avance. 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 de avance. ^{[17] [18] [19]}

Sistema abierto

En la teoría de sistemas , un sistema abierto es un sistema de retroalimentación que no tiene ningún bucle de retroalimentación para controlar su salida. Por el contrario, un sistema cerrado utiliza un bucle 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 o funcionamiento. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

Sistema de retroalimentación fisiológica

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

Incluso en el caso de 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, mecánica y patrones. ^{[9] [17]}

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

Regulación genética y retroalimentación

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; los FFL ocurren aproximadamente tres veces más frecuentemente de lo esperado según las redes aleatorias ( Erdös-Rényi ). ^{[20] [21]}

Los bordes de 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 en el 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 diferentes signos para los dos caminos. ^[22]

La dinámica temporal de las FFL muestra que las FFL coherentes pueden ser retardos sensibles al signo que filtran la entrada al circuito. Consideremos las ecuaciones diferenciales para una FFL coherente de 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 que representan la producción, y y son constantes de velocidad que representan la degradación o dilución de y respectivamente. puede representar una compuerta AND donde si o , por ejemplo si donde y son funciones escalonadas . En este caso, la FFL crea un retardo de tiempo entre una señal de encendido sostenida, es decir, un aumento en y el aumento de salida en . 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 un retardo de tiempo en para una señal de apagado porque una reducción de resulta inmediatamente en una disminución en el término 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 de tiempo 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 compuerta OR inclusiva en la que se activa por cualquiera de los dos 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 ON activa inmediatamente a B y C, pero un paso OFF no resulta inmediatamente en la desactivación de C porque B todavía puede estar activo. Esto puede proteger al 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 retroalimentación 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 puede controlarse a través de un FFL coherente de tipo 1. En las células de crecimiento diáuxico, el crecimiento utiliza 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 sobre la arabinosa y la lactosa . La ausencia de glucosa está representada por una pequeña molécula de AMPc. El crecimiento diáuxico en glucosa y lactosa está regulado por un sistema regulador simple que involucra al AMPc y al operón lac . Sin embargo, el crecimiento en arabinosa está regulado por un bucle de retroalimentación con una compuerta AND que confiere un retraso de tiempo 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 retraso de tiempo con la señal OFF que ocurre cuando hay glucosa. Esto evita que la célula cambie al crecimiento en arabinosa en función de 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 en levaduras, donde la feromona de apareamiento extracelular induce el comportamiento de apareamiento, lo que incluye evitar que las células ingresen al 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 temporal de una función de la concentración de feromona de apareamiento externa. Esta dependencia de los niveles pasados ​​de feromona de apareamiento es una forma de memoria celular. Este sistema permite simultáneamente la estabilidad y la reversibilidad.

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

La observación frecuente de bucles de retroalimentación en diversos contextos biológicos a múltiples escalas sugiere que tienen propiedades estructurales que son altamente adaptativas en muchos contextos. Varios estudios teóricos y experimentales, incluidos los que se analizan aquí, muestran que los bucles de retroalimentación 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 y dinámicamente cambiantes.

Sistemas de alimentación hacia adelante en informática

En informática , el término feed-forward 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 efecto 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 interurbana, incluida la portadora L , utilizaban amplificadores de retroalimentación para disminuir la distorsión lineal. Este método más complejo permitía un mayor ancho de banda que los sistemas de retroalimentación anteriores . Sin embargo, la fibra óptica 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 de avance paralelo 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 fase mínima . ^[28]

Véase también

• Caja negra
• Predictor de Smith

Referencias

1. Basado en Hopgood (2002)
2. Escudier, Marcel; Atkins, Tony (2019). "Un diccionario de ingeniería mecánica". doi :10.1093/acref/9780198832102.001.0001. ISBN 978-0-19-883210-2. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
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Lectura adicional

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