Прямая связь (контроль) - Feed forward (control)

Основная статья: Feedforward

Прямая связь , иногда обозначаемая как прямая связь , представляет собой 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.

Система управления, которая имеет только прямую связь, реагирует на свой управляющий сигнал заранее определенным образом, не реагируя на реакцию нагрузки; это контрастирует с системой, которая также имеет обратную связь , которая регулирует ввод с учетом того, как он влияет на нагрузку, и как сама нагрузка может изменяться непредсказуемо; нагрузка считается принадлежащей внешней среде системы.

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

Некоторые предварительные условия необходимы для того, чтобы схема управления была надежной за счет чистой прямой связи без обратной связи: должна быть доступна внешняя команда или управляющий сигнал, и должно быть известно влияние выхода системы на нагрузку (что обычно означает, что нагрузка должно быть предсказуемо неизменным со временем). Иногда чистое управление с прямой связью без обратной связи называется «баллистическим», потому что после того, как сигнал управления был отправлен, он не может быть отрегулирован дальше; любая корректирующая регулировка должна осуществляться с помощью нового управляющего сигнала. Напротив, «круиз-контроль» регулирует 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 управлении с прямой или прямой связью помехи измеряются и учитываются до того, как они успеют повлиять на систему. В примере с домом система прямой связи может измерять факт открытия двери и автоматически включать обогреватель до того, как в доме станет слишком холодно. Сложность управления с прямой связью состоит в том, что влияние помех на систему должно быть точно предсказано, и не должно быть никаких неизмеряемых помех. Например, если было открыто окно, которое не измерялось, термостат с упреждающим управлением может позволить дому остыть.

Этот термин имеет особое значение в области автоматического управления на базе ЦП . Дисциплина «упреждающего управления», относящаяся к современным автоматическим элементам управления на базе ЦП, широко обсуждается, но редко применяется на практике из-за сложности и затрат на разработку или обеспечение математической модели, необходимой для облегчения этого типа управления. Управление без обратной связи и управления с обратной связью , часто основаны на консервированных управления PID алгоритмов, которые гораздо более широкое применение.

Три типа системы управления (a) Открытый цикл (b) Прямая связь (c) Обратная связь (Замкнутый цикл) на основе Hopgood (2002)

Существует три типа систем управления: разомкнутый контур, упреждающая и обратная связь. Примером чисто разомкнутой системы управления является ручное рулевое управление автомобиля без усилителя; система рулевого управления не имеет доступа к вспомогательному источнику энергии и не реагирует на переменное сопротивление повороту направляющих колес; водитель должен сделать это без помощи рулевого управления. Для сравнения, гидроусилитель руля имеет доступ к управляемому вспомогательному источнику энергии, который зависит от частоты вращения двигателя. Когда рулевое колесо поворачивается, открывается клапан, который позволяет жидкости под давлением вращать ведущие колеса. Датчик контролирует это давление, так что клапан открывается только для того, чтобы необходимое давление достигло механизма поворота колеса. Это управление с прямой связью, при котором выходной сигнал системы, изменение направления движения транспортного средства, не играет никакой роли в системе. См. Раздел Прогностический контроль модели .

Если водитель включен в систему, он обеспечивает обратную связь, наблюдая за направлением движения и компенсируя ошибки поворотом рулевого колеса. В этом случае у вас есть система обратной связи, а блок, помеченный как «Система» на рисунке (c), является системой обратной связи.

Другими словами, системы разных типов могут быть вложенными, а вся система рассматривается как черный ящик .

Управление с прямой связью заметно отличается от систем управления без обратной связи и телеоператоров . Для упреждающего управления требуется математическая модель предприятия (процесса и / или машины, которым управляет) и отношения предприятия к любым входным данным или обратной связи, которые может получить система. Ни управление разомкнутым контуром, ни системы телеоператора не требуют сложной математической модели физической системы или объекта управления. Управление, основанное на вводе оператора без комплексной обработки и интерпретации с помощью математической модели системы, является системой телеоператора и не считается управлением с прямой связью.

История

Исторически термин «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 работа Маккея относится к области теории биологического контроля, он говорит только о системах с прямой связью. Маккей не упоминает «Управление с прямой связью» и не намекает на дисциплину «Управление с прямой связью». Маккей и другие ранние авторы, использующие термин «прямая связь», обычно пишут о теориях работы мозга человека или животных. У Блэка также есть патент США 2102671, изобретенный 2 августа 1927 г., на методику обратной связи, применяемую к электронным системам.

Дисциплина «прямого контроля» была в значительной степени разработана профессорами и аспирантами Технологического института Джорджии , Массачусетского технологического института , Стэнфорда и Карнеги-Меллона . Feedforward обычно не переносится через дефис в научных публикациях. Мекл и Сиринг из Массачусетского технологического института, а также Бук и Дикерсон из Технологического института Джорджии начали разработку концепций прямого контроля в середине 1970-х годов. К концу 1980-х годов дисциплина прямого управления 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 технологии. Точность управления часто можно повысить на порядок, если математическая модель имеет достаточное качество и хорошо продумана реализация закона управления с прямой связью. Энергопотребление системой управления с прогнозированием и ее драйвером обычно значительно ниже, чем у других элементов управления. Стабильность повышается, так что управляемое устройство может быть построено из более дешевого, легкого и упругого материала, но при этом остается очень точным и способным работать на высоких скоростях. Другие преимущества упреждающего управления включают снижение износа оборудования, более низкие затраты на техническое обслуживание, более высокую надежность и значительное снижение гистерезиса . Управление с прогнозированием часто сочетается с управлением с обратной связью для оптимизации производительности.

Модель

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

Управление с прогнозированием требует интеграции математической модели в алгоритм управления таким образом, чтобы она использовалась для определения управляющих воздействий на основе того, что известно о состоянии контролируемой 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 сочленения регулируются, чтобы разместить полезную нагрузку в желаемом положении, основываясь на знании отклонений в руке из интерпретации математической модели возмущений, вызванных полезной нагрузкой. Системы, которые планируют действия, а затем передают план для выполнения другой системе, не удовлетворяют приведенному выше определению упреждающего управления. Если система не включает средства для обнаружения возмущения или получения входных данных и обработки этих входных данных через математическую модель для определения требуемой модификации управляющего воздействия, это не является истинным управлением с прогнозированием.

Открытая система

В теории систем , открытая система представляет собой система прямой подачи , которая не имеет петли обратной связи для управления его выхода. Напротив, замкнутая система использует контур обратной связи для управления работой системы. В открытой системе выходные данные системы не возвращаются на вход системы для управления или работы.

Приложения

Физиологическая система прямой связи

Основная статья: Нейронный контроль физиологии сверху вниз

В физиологии упреждающим контролем является нормальное упреждающее регулирование сердцебиения перед фактической физической нагрузкой центральной вегетативной сетью . Упреждающее управление можно сравнить с усвоенными упреждающими ответами на известные сигналы ( прогнозирующее кодирование ). Регулирование сердцебиения с обратной связью обеспечивает дополнительную адаптацию к беговым ситуациям с физическими нагрузками. Системы прямого распространения также используются при биологическом контроле других переменных во многих областях мозга животных .

Даже в случае биологических систем прямой связи, таких как человеческий мозг , знания или ментальная модель растения (тела) можно рассматривать как математическую, поскольку модель характеризуется пределами, ритмами, механикой и закономерностями.

Система с прямой связью отличается от системы гомеостатического контроля, которая имеет функцию поддержания внутренней среды организма в «стабильном» состоянии или в «длительном устойчивом состоянии готовности». Гомеостатическая система управления в основном полагается на обратную связь (особенно отрицательную) в дополнение к элементам системы с прямой связью.

Генная регуляция и прямая связь

Перекрестная регуляция генов может быть представлена ​​графом, где гены являются узлами, а один узел связан с другим, если первый является фактором транскрипции для второго. Мотив, который преимущественно появляется во всех известных сетях ( E. coli , дрожжи , ...), это A активирует B, A и B активируют C. Этот мотив, как было показано, является системой с прямой связью, обнаруживающей непродолжительное изменение окружающей среды. . Эта тема прямого контроля обычно наблюдается при развитии клонов гемопоэтических клеток , когда принимаются необратимые обязательства.

Системы с прямой связью в вычислениях

Основная статья: Персептрон

В вычислениях под прямой связью обычно понимается сеть перцептронов, в которой выходные сигналы от всех нейронов поступают на следующие, но не на предыдущие уровни , поэтому петли обратной связи отсутствуют . Соединения устанавливаются во время фазы обучения, когда система фактически является системой обратной связи.

Междугородняя телефония

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

Автоматизация и управление машинами

Управление с прогнозированием - это дисциплина в области автоматического управления, используемая в автоматизации.

Параллельная компенсация прямой связи с производной (PFCD)

Метод является довольно новым методом, который изменяет фазу передаточной функции разомкнутого контура неминимальной фазовой системы на минимальную фазу .

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • С. Манган, А. Заславер и У. Алон, «Связанная петля прямой связи служит в качестве чувствительного к знаку элемента задержки в сетях транскрипции», J. Molecular Biology 334: 197-204 (2003).
  • Фосс, С., Фосс, К., и Трапп. (2002). Современные перспективы риторики (3-е изд.). Waveland Press, Inc.
  • Книга, WJ и Cetinkunt, S., "Оптимальное управление гибкими манипуляторами роботов ИЛИ фиксированными путями", Конференция IEEE по принятию решений и управлению. Декабрь 1985 г.
  • Meckl, PH и Seering, WP, "Методы управления с прогнозированием для достижения быстрого установления времени в роботах", Материалы конференции по автоматическому управлению. 1986, стр 58–64.
  • Сакава, Ю., Мацуно, Ф. и Фукусима, С., "Моделирование и управление с обратной связью гибкой руки", Журнал робототехнических систем. Август 1985 г., стр. 453–472.
  • Тракенбродт А., «Моделирование и управление гибкими манипуляторными структурами», 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 Массачусетского технологического института", Int. Symp. по дизайну и синтезу, Япония, июль 1984 г.
  • Рамериз, РБ, Проектирование руки робота из высокоскоростного графитового композитного материала, Диссертация на соискание ученой степени магистра медицины, Массачусетский технологический институт, февраль 1984 г.
  • Балас, MJ, "Управление с обратной связью гибких систем", IEEE Trans. по автоматическому управлению, том AC-23, №4, август 1978 г., стр. 673–679.
  • Балас, MJ, "Активное управление гибкими системами", J. of Optim. Чт. и приложение, том 25, № 3, июль 1978 г.,
  • Book, WJ, Maizzo Neto, 0. и Whitney, DE, "Управление с обратной связью двух луча, двух соединенных систем с распределенной гибкостью", Журнал динамических систем, измерений и управления, том 97, № 4, декабрь 1975 г., стр. 424–430.
  • Книга, У. Дж., «Анализ безмассовых упругих цепей с сервоуправляемыми соединениями», Журнал динамических систем, измерений и управления, том 101, сентябрь 1979 г., стр. 187–192.
  • Книга, У. Дж., «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, П.К., "Динамика цепочки гибких тел", Журнал астронавтических наук, 27,4 октября-декабрь. 1979, стр. 359–380.
  • Мейрович, Л., "Моделирование и управление распределенными структурами" Proc. семинара по применению теории распределенных систем к большим космическим конструкциям, JPL / CIT, NTIS # N83-36064, 1 июля 1983 г.
  • Шмитц, Э., "Эксперименты по управлению положением конечной точки очень гибкого одного звена. Манипулятор", доктор философии. Диссертация, Стэнфордский университет, факультет аэро и астрономии, июнь 1985 г.
  • Мартин Г. Д., Об управлении гибкими механическими системами, канд. Диссертация, Стэнфордский университет, кафедра ЭЭ, май 1978 г.
  • Залаки, А. и Хардт, Д.Е., «Активное управление отклонениями конструкции робота», J. of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 106, март 1984 г., стр. 63–69.
  • Сангверапхунсири В. Оптимальное управление и конструкция гибкого манипулятора: докторская диссертация, кафедра мех. Eng., Технологический институт Джорджии, 1984. 1985.
  • Немир, Д. К., Койво, А. Дж., И Кашьяп, Р. Л., «Псевдосвязи и самонастраивающееся управление механизмом нежестких связей», Университет Пердью, предварительная копия, представленная для публикации, 1987 г.
  • Видманн, Г.Р. и Ахмад, С., «Управление промышленными роботами с помощью гибких соединений», Университет Пердью, предварительная копия, представленная для публикации, 1987 г.
  • Холларс, М.Г., Улик, С.Р., и Кэннон, Р.Х., «Сравнение раздельного и точного вычисленного управления крутящим моментом для роботов с упругими соединениями», предварительная копия, представленная для публикации, 1987 г.
  • Кэннон, Р. Х. и Шмитц, Э., "Начальные эксперименты по управлению конечной точкой гибкого робота с одним звеном", Международный журнал исследований робототехники, ноябрь 1983 г.
  • Остинг, К.В. и Дикерсон, С.Л., «Недорогой, высокоскоростной автоматизированный контроль», 1991, отраслевой отчет.
  • Остинг К.У. и Дикерсон С.Л., "Прямое управление для стабилизации", 1987, ASME.
  • Остинг К.У. и Дикерсон С.Л., «Управление легкой рукой робота», 1986, Международная конференция IEEE по промышленной автоматизации.
  • Остинг, К.В., «Активированная система слежения за Солнцем с прямой связью», 2009 г., заявка на патент подана.
  • Остинг, К.В., "Система упреждающего контроля для солнечного трекера", 2009 г., патент заявлен.
  • Остинг, К.В., «Интеллектуальное слежение за Солнцем», июль 2010 г., презентация InterSolar NA