Жүйеде қателерге жол бермес бұрынғы басқару парадигмасы

Кіріспе

Қателіктер жүйеге әсер етуге үлкермес бұрын өлшенетін басқару парадигмасы.

Feed forward (кейде feedforward деп жазылады) – басқару жүйесіндегі сыртқы ортадағы сигнал көзінен жүктемеге басқару сигналын жеткізетін элемент немесе жол. Бұл көбінесе сыртқы оператордан келетін командалық сигнал. Басқару инженериясында feedforward басқару жүйесі – жүйеге әсер ететін бұзылыстарды анықтау үшін сенсорларды пайдаланатын және бұзылыстың әсерін азайту мақсатында қосымша кіріс енгізетін басқару жүйесі. Мұндай жүйе үшін бұзылыстардың әсерін дұрыс болжау үшін жүйенің математикалық моделі қажет. Тек алға бағытталған басқару мінез-құлқы бар жүйе өзінің басқару сигналына алдын ала белгіленген тәртіппен жауап береді, бірақ жүйенің реакциясын ескермейді. Бұл кері байланыс механизмі бар жүйеден өзгеше, ол жүйеге тигізетін әсерін және жүйенің өзінің болжамсыз өзгеру мүмкіндігін ескере отырып кірісті реттейді. Алға бағытталған жүйеде басқару айнымалысын түзету қатеге негізделмейді. Оның орнына, ол процесс туралы математикалық модель түріндегі білімге және процесс бұзылыстары туралы ақпаратқа немесе өлшемдерге негізделген. Кері байланыссыз таза алға бағытталған басқару схемасының сенімді болуы үшін бірнеше алғышарттар қажет: сыртқы команда немесе басқару сигналы болуы керек, сондай-ақ жүйенің шығысының жүктемеге тигізетін әсері белгілі болуы керек (әдетте, жүктеме уақыт өте келе өзгермейтіндей болуы керек). Кейде кері байланыссыз таза алға бағытталған басқаруды «баллистикалық» деп атайды, себебі басқару сигналы жіберілгеннен кейін оны одан әрі реттеу мүмкін емес, кез келген түзету жаңа басқару сигналы арқылы жасалуы керек. Ал «круиздік басқару» кері байланыс механизмі арқылы кездесетін жүктемеге жауап ретінде шығысты реттейді. Бұл жүйелер басқару теориясы, физиология немесе есептеу салаларымен байланысты болуы мүмкін.

Шолу

Feed forward немесе feedforward басқару кезінде бұзылыстар жүйеге әсер ету уақытынан бұрын өлшенеді және ескеріледі. Мысалы, үй жағдайында, feed forward жүйесі есіктің ашылғанын анықтап, үйдің суынуына жол бермес бұрын жылытқышты автоматты түрде қосуы мүмкін. Feed forward басқарудың қиындығы – бұзылыстардың жүйеге тигізетін әсерін дәл болжау және өлшенбеген бұзылыстардың болмауы керек. Мысалы, егер өлшенбеген терезе ашылса, feed forward басқарылатын термостат үйді салқындатып алуы мүмкін. Бұл термин CPU-ға негізделген автоматты басқару саласында нақты мағынаға ие. Қазіргі заманғы, CPU-ға негізделген автоматты басқарумен байланысты feedforward басқару кеңінен талқыланады, бірақ осы басқару түрін іске асыруға қажетті математикалық модельді жасаудың немесе ұсынудың қиындығы мен қымбаттығына байланысты сирек қолданылады. Ашық циклді басқару және кері байланыс басқару, көбінесе дайын PID басқару алгоритмдеріне негізделген, одан әлдеқайда көп қолданылады. Бақылау жүйелерінің үш түрі бар: ашық цикл, feed forward және кері байланыс. Таза ашық циклді басқару жүйесінің мысалы – автокөліктің қолмен басқарылатын рульдік басқаруы; рульдік басқару жүйесінде қосалқы қуат көзі болмайды және рульдік дөңгелектердің бұрылуына қарсылықтың өзгеруіне жауап бермейді; жүргізуші рульдік басқару жүйесінің көмегінсіз осы жауапты беруі керек. Керісінше, күшті рульде қозғалтқыштың айналу жиілігіне байланысты басқарылатын қосалқы қуат көзі бар. Рульді бұрғанда, қысыммен сұйықтық өткізіп, басқару дөңгелектерін бұратын клапан ашылады. Дөңгелектің бұрылу механизміне дұрыс қысым жеткізілуі үшін сенсор осы қысымды бақылайды. Бұл feed forward басқару, мұнда жүйе шығысы – көліктің бағытының өзгеруі – жүйеде ешқандай рөл атқармайды. Модельдік болжамды басқаруға қараңыз. Егер жүргізуші жүйеге қосылса, ол бағытты бақылап, рульді бұру арқылы қателерді түзететін кері байланыс жолын қамтамасыз етеді. Бұл жағдайда сізде кері байланыс жүйесі болады, ал (c) суретіндегі «Жүйе» блогы – feed forward жүйесі. Басқаша айтқанда, әртүрлі типтегі жүйелер біріктірілуі мүмкін, ал жалпы жүйе қара жәшік ретінде қарастырылады. Feedforward басқару ашық циклді басқару және телеоператор жүйелерінен ерекшеленеді. Feedforward басқару басқарылатын объектінің (процесс немесе машина) математикалық моделін және жүйе алатын кез келген кіріс немесе кері байланысқа қатысты оның байланысын қажет етеді. Ашық циклді басқару да, телеоператор жүйелері де басқарылатын физикалық жүйенің немесе объектінің математикалық моделінің күрделілігін қажет етпейді. Оператордың кірісіне негізделген басқару, жүйенің математикалық моделі арқылы интегралды өңдеу мен түсіндірусіз, телеоператор жүйесі болып табылады және feedforward басқару деп есептелмейді.

With feed forward or feedforward control, the disturbances are measured and accounted for before they have time to affect the system. In the house example, a feed forward system may measure the fact that the door is opened and automatically turn on the heater before the house can get too cold. The difficulty with feed forward control is that the effects of the disturbances on the system must be accurately predicted, and there must not be any unmeasured disturbances. For instance, if a window was opened that was not being measured, the feed forward controlled thermostat might let the house cool down. The term has specific meaning within the field of CPU based automatic control. The discipline of feedforward control as it relates to modern, CPU based automatic controls is widely discussed, but is seldom practiced due to the difficulty and expense of developing or providing for the mathematical model required to facilitate this type of control. Open loop control and feedback control, often based on canned PID control algorithms, are much more widely used. There are three types of control systems: open loop, feed forward, and feedback. An example of a pure open loop control system is manual non power assisted steering of a motor car; the steering system does not have access to an auxiliary power source and does not respond to varying resistance to turning of the direction wheels; the driver must make that response without help from the steering system. In comparison, power steering has access to a controlled auxiliary power source, which depends on the engine speed. When the steering wheel is turned, a valve is opened which allows fluid under pressure to turn the driving wheels. A sensor monitors that pressure so that the valve only opens enough to cause the correct pressure to reach the wheel turning mechanism. This is feed forward control where the output of the system, the change in direction of travel of the vehicle, plays no part in the system. See Model predictive control. If the driver is included in the system, then they do provide a feedback path by observing the direction of travel and compensating for errors by turning the steering wheel. In that case you have a feedback system, and the block labeled System in Figure(c) is a feed forward system. In other words, systems of different types can be nested, and the overall system regarded as a black box. Feedforward control is distinctly different from open loop control and teleoperator systems. Feedforward control requires a mathematical model of the plant (process and/or machine being controlled) and the plant's relationship to any inputs or feedback the system might receive. Neither open loop control nor teleoperator systems require the sophistication of a mathematical model of the physical system or plant being controlled. Control based on operator input without integral processing and interpretation through a mathematical model of the system is a teleoperator system and is not considered feedforward control.

Артықшылықтары

Feedforward бақылаудың артықшылықтары зор және көбінесе технологияны енгізуге жұмсалатын қосымша шығындарды, уақытты және күш-жігерді ақтауға болады. Математикалық модель жеткілікті сапалы болса және feedforward бақылау заңының іске асырылуы дұрыс жоспарланған жағдайда, бақылаудың дәлдігі бірнеше есеге артуы мүмкін. Feedforward бақылау жүйесі мен оның драйверінің энергия тұтынуы басқа бақылау түрлерімен салыстырғанда айтарлықтай төмен болады. Тұрақтылық артып, бақыланатын құрылғыны төмен құнмен, жеңіл салмақта, серпімді материалдардан жасауға мүмкіндік береді, бұл ретте жоғары дәлдік пен жоғары жылдамдықпен жұмыс істеуге кепілдік береді. Feedforward бақылаудың басқа да пайдаларына жабдықтың тозуын азайту, техникалық қызмет көрсету шығындарын төмендету, сенімділікті арттыру және гистерезистің айтарлықтай төмендеуі жатады. Feedforward бақылау жиі кері байланыс бақылауымен біріктіріліп, ең жоғары тиімділікке қол жеткізіледі.

Үлгі

Азықпен басқару жүйесі пайдаланатын өсімдік (машина, процесс немесе организм) математикалық моделін басқару инженері құрастырып, енгізе алады немесе оны басқару жүйесі үйренуі мүмкін. Математикалық моделін үйренуге және/немесе бейімдеуге қабілетті басқару жүйелері микропроцессорлардың жылдамдығы артқан сайын іс жүзінде тиімдірек болды. Қазіргі заманғы азықпен басқару ғылымының өзі микропроцессорлардың табысымен мүмкін болды. Азықпен басқару математикалық моделді басқару алгоритміне интеграциялауды қажет етеді, ол басқарылатын жүйенің күйі туралы белгілі мәліметтерге негізделген басқару шараларын анықтау үшін қолданылады. Жеңіл, икемді робот қолды басқару жағдайында бұл робот қол жүктемені көтеріп тұрғанда және көтермегенде арасындағы айырманы өтеу сияқты қарапайым болуы мүмкін. Мақсатты буындардың бұрыштары жүктемені қажетті орнына қою үшін, қолдағы бұрылыстарды математикалық модельдің жүктеме тудырған бұзылысты түсіндіруі арқылы білу негізінде реттеледі. Іс-қимылдарды жоспарлап, содан кейін жоспарды орындау үшін басқа жүйеге жіберетін жүйелер жоғарыдағы азықпен басқару анықтамасына сай келмейді. Егер жүйеде бұзылысты анықтау немесе кірісті қабылдау және математикалық модель арқылы өңдеу арқылы қажетті басқару шарасын өзгерту мүмкіндігі болмаса, онда ол нағыз азықпен басқару емес.

Ашық жүйе

Жүйелер теориясында ашық жүйе – өнімді басқару үшін кері байланыс тізбегі жоқ алға бағытталған жүйе. Ал жабық жүйе жүйенің жұмысын басқару үшін кері байланыс тізбегін пайдаланады. Ашық жүйеде жүйенің өнімі басқару немесе жұмыс істеу үшін жүйеге кіріс ретінде қайта жіберілмейді.

Физиологиялық алға жіберу жүйесі

Физиологияда, алдын ала басқару орталық автономды желі арқылы нақты физикалық күш салудың алдында жүрек соғуының қалыпты алдын ала реттелуімен мысалдандырылады. Алдын ала басқару, белгілі сигналдарға үйренген алдын ала жауаптарға (болжамдық кодтау) ұқсатуға болады. Жүрек соғуының кері байланыс арқылы реттелуі, физикалық күш салудың болатын жағдайларына қосымша бейімделуді қамтамасыз етеді. Алдын ала басқару жүйелері жануарлар миының көптеген аймақтарында басқа да өзгергіштерді биологиялық түрде бақылауда кездеседі. Тіпті биологиялық алдын ала басқару жүйелерінің өзінде, мысалы, адам миында, организмнің (дененің) білімі немесе ақыл-ойының моделі математикалық деп қарастырылуы мүмкін, себебі модельге шектеулер, ырғақтар, механика және үлгілер тән. Таза алдын ала басқару жүйесі, организмнің ішкі ортасын "тұрақты" күйде немесе "ұзаққа созылған дайындық күйінде" ұстау функциясын атқаратын гомеостатикалық бақылау жүйесінен өзгеше. Гомеостатикалық бақылау жүйесі негізінен кері байланысқа (әсіресе теріс кері байланысқа) және жүйенің алдын ала басқару элементтеріне сүйенеді.

Гендік реттеу және азық беру

А, В және С әсері және В әсері С формасындағы үш түйіндік график (FFL) жиі транскрипция желілерінде бірнеше организмдерде, соның ішінде E. coli және S. cerevisiae, байқалады, бұл олардың осы организмдердің жұмыс істеуі үшін маңызды функцияларды орындайтынын көрсетеді. E. coli және S. cerevisiae транскрипциялық желілері кеңінен зерттелді, FFL-лер кездейсоқ (Эрдос Рени) желілеріне негізделген күтілгеннен шамамен үш есе жиі кездеседі. Транскрипция желілеріндегі жиектер бағытталады және имзаланады, өйткені олар белсенділікті (+) немесе басқыншылықты (-) білдіреді. Транскрипция желісіндегі жолдың белгісін жолдың жиектерінің белгілерін көбейту арқылы алуға болады, сондықтан теріс белгілердің тақ саны бар жол теріс болып табылады. Үш түйінді FFL сегіз мүмкін, өйткені үш жебелердің әрқайсысы басқын немесе белсендіру болуы мүмкін, оларды үйлесімді немесе үйлесімсіз FFL-ге жіктеуге болады. Бірқалыпты FFL-де А-дан С-ға дейінгі екі жол үшін бірдей белгі бар, ал бірқалыпты емес FFL-де екі жол үшін әртүрлі белгілер бар. FFL-дің уақыт динамикасы когерентті FFL-дің контурға кіретін сигналды сүзгілеуге арналған сигналды сезімтал кідіртуі болатынын көрсетеді. Біз I типті когерентті FFL үшін дифференциалдық теңдеулерді қарастырамыз, онда барлық жебелер оң: мұнда және өндірістегі және өндірісті білдіретін өсу функциялары, ал және және тиісінше төмендеуді немесе сұйытуды білдіретін жылдамдық константалары. Егер, егер немесе, мысалы, егер, егер және егер қадамдық функциялар болса, онда AND шлюзін білдіре алады. Бұл жағдайда FFL тұрақты сигналдың, яғни көбейту мен шығыс көбейтуінің арасында уақыт кідірісін жасайды. Бұл, себебі, өндіріс алдымен , өндірісін өндіріп алу керек, ал кейін өндірісті өндіріп алу үшін қажет. Алайда, сигналдың қысқаруы үшін уақыт кідірісі жоқ, өйткені бірден өндіріс мерзімі қысқарады. Бұл әсіресе стохастикалық ауытқуы бар сигналдар орнатылған жағдайда маңызды. Бактерияларда бұл контурлар бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейінгі уақыт кідірісін тудырады. Сол сияқты, кіретін немесе сигналды сезімтал кідіртумен іске қосылатын немесе кідіртуі ON кезеңінен кейін кідіртуі жоқ, бірақ OFF кезеңінен кейін кідіртуі бар OR қақпасы. Себебі, ON импульсі B және C-ті бірден іске қосады, бірақ OFF қадамы C-тің бірден өшірілуіне әкелмейді, өйткені B әлі де белсенді болуы мүмкін. Бұл жүйеге АЖ-сигналдық жоғалтуды әкелетін ауытқулардан қорғайды және сонымен қатар жады түрін қамтамасыз етеді. Kalir, Mangan, and Alon, 2005 E. coli-дегі флагельдерді реттеу жүйесі 1-түрдегі бірізді feedforward циклымен реттелетінін көрсетеді. Мысалы, E. coli бактериясының диаксикалық өсуінде бір көміртек көзінен екінші көміртек көзіне ауысуын реттеуді 1-түрлі үйлесімді FFL арқылы бақылауға болады. Диаксикалық өсуде жасушалар екі көміртек көзін пайдаланып, бірінші таңдалған көміртек көзін тез тұтыну арқылы, содан кейін екінші аз таңдалған көміртек көзін тұтынудан бұрын өсуді баяулау арқылы өседі. E. coli-да глюкоза арабиноза мен лактозаға қарағанда артық қолданылады. Глюкозаның болмауы шағын молекулалы cAMP арқылы бейнеленеді. Глюкоза мен лактозаның диауксикалық өсуін cAMP және лактоперон қатысатын қарапайым реттеу жүйесі реттейді. Алайда, арабинозаның өсуі AND шлюзі бар feedforward циклымен реттеледі, бұл глюкоза тұтынылған кезде және арабиноза тасымалдаушылары экспрессияланған кезде cAMP концентрациясы өсетін ON сатысының арасында шамамен 20 минут уақыт кешіктірімін береді. Глюкоза болған кезде пайда болатын OFF сигналының уақыт кідірісі жоқ. Бұл жасушаның глюкозаның қысқа мерзімді ауытқуы негізінде арабинозаға ауысуына жол бермейді. Сонымен қатар, feedforward циклдері жасушалық жадыны жеңілдетеді. Дончик пен Скотим (2003) бұл әсерді ашытқының жұптасуын реттеуде көрсетеді, онда клеткадан тыс жұптасу феромоны жұптасу мінез-құлқын тудырады, соның ішінде жасушалардың жасушалық циклге кіруіне кедергі келтіреді. Жұпталу феромоны MAPK жолдарын белсендіреді, содан кейін жасуша циклының ингибиторы Far1 және транскрипция факторы Ste12 белсендіріледі, бұл өз кезегінде белсенді емес Far1 синтезін арттырады. Бұл жүйеде белсенді Far1 концентрациясы сыртқы жұптасу феромоны концентрациясының функциясының уақыт интегралына байланысты. Бұрынғы жұптасу феромонына тәуелділік жасушалық жадтың бір түрі болып табылады. Бұл жүйе бір мезгілде тұрақтылық пен кері айналдыруға мүмкіндік береді. Кіріске және шығысқа дейінгі екі жолдың белгілері әр түрлі болатын, біріне-бірі сәйкес келмейтін feedforward циклдері, АЖ-сигналға жауап ретінде қысқа импульстарды тудырады. Бұл жүйеде кіріс A бірден шығыс түйіні C синтезін арттырады және жанама түрде азайтады. Егер C-ге (B арқылы) жанама жол тікелей жолдан баяу болса, B деңгейі C синтезін тежеуге жеткілікті болғанға дейін уақыт аралығында шығыс импульсі туады. Эпидермалық өсу факторына (EGF) жауап, бұл 1-түрлі үйлесімсіз FFL мысалы. Әртүрлі биологиялық контексттерде, әртүрлі масштабтарда feedforward циклдерінің жиі кездесуі олардың көптеген контексттерде өте бейімделгіш құрылымдық қасиеттері бар екенін көрсетеді. Осы жерде талқыланған, соның ішінде теориялық және тәжірибелік зерттеулер FFL-дер биологиялық жүйелерге ақпаратты өңдеу және сақтау үшін механизм жасайтынын көрсетеді, бұл күрделі және динамикалық өзгеріп отыратын ортада болжамдық мінез-құлқы мен тірі қалу үшін маңызды.

Feed forward loops (FFLs), a three node graph of the form A affects B and C and B affects C, are frequently observed in transcription networks in several organisms including E. coli and S. cerevisiae, suggesting that they perform functions that are important for the functioning of these organisms. In E. coli and S. cerevisiae transcription networks have been extensively studied, FFLs occur approximately three times more frequently than expected based on random (Erdös Rényi) networks. Edges in transcription networks are directed and signed, as they represent activation (+) or repression ( ). The sign of a path in a transcription network can be obtained by multiplying the signs of the edges in the path, so a path with an odd number of negative signs is negative. There are eight possible three node FFLs as each of the three arrows can be either repression or activation, which can be classified into coherent or incoherent FFLs. Coherent FFLs have the same sign for both the paths from A to C, and incoherent FFLs have different signs for the two paths. The temporal dynamics of FFLs show that coherent FFLs can be sign sensitive delays that filter input into the circuit. We consider the differential equations for a Type I coherent FFL, where all the arrows are positive:

Where and are increasing functions in and representing production, and and are rate constants representing degradation or dilution of and respectively. can represent an AND gate where if either or , for instance if where and are step functions. In this case the FFL creates a time delay between a sustained on signal, i. e. increase in and the output increase in This is because production of must first induce production of , which is then needed to induce production of However, there is no time delay in for an off signal because a reduction of immediately results in a decrease in the production term This system therefore filters out fluctuations in the on signal and detects persistent signals. This is particularly relevant in settings with stochastically fluctuating signals. In bacteria these circuits create time delays ranging from a few minutes to a few hours. Similarly, an inclusive OR gate in which is activated by either or is a sign sensitive delay with no delay after the ON step but with a delay after the OFF step. This is because an ON pulse immediately activates B and C, but an OFF step does not immediately result in deactivation of C because B can still be active. This can protect the system from fluctuations that result in the transient loss of the ON signal and can also provide a form of memory. Kalir, Mangan, and Alon, 2005 show that the regulatory system for flagella in E. coli is regulated with a Type 1 coherent feedforward loop. For instance, the regulation of the shift from one carbon source to another in diauxic growth in E. coli can be controlled via a type 1 coherent FFL. In diauxic growth cells growth using two carbon sources by first rapidly consuming the preferred carbon source, and then slowing growth in a lag phase before consuming the second less preferred carbon source. In E. coli, glucose is preferred over both arabinose and lactose. The absence of glucose is represented via a small molecule cAMP. Diauxic growth in glucose and lactose is regulated by a simple regulatory system involving cAMP and the lac operon. However, growth in arabinose is regulated by a feedforward loop with an AND gate which confers an approximately 20 minute time delay between the ON step in which cAMP concentration increases when glucose is consumed and when arabinose transporters are expressed. There is no time delay with the OFF signal which occurs when glucose is present. This prevents the cell from shifting to growth on arabinose based on short term fluctuations in glucose availability. Additionally, feedforward loops can facilitate cellular memory. Doncic and Skotheim (2003) show this effect in the regulation in the mating of yeast, where extracellular mating pheromone induces mating behavior, including preventing cells from entering the cell cycle. The mating pheromone activates the MAPK pathway, which then activates the cell cycle inhibitor Far1 and the transcription factor Ste12, which in turn increases the synthesis of inactive Far1. In this system, the concentration of active Far1 depends on the time integral of a function of the external mating pheromone concentration. This dependence on past levels of mating pheromone is a form of cellular memory. This system simultaneously allows for the stability and reversibility. Incoherent feedforward loops, in which the two paths from the input to the output node have different signs result in short pulses in response to an ON signal. In this system, input A simultaneous directly increases and indirectly decreases synthesis of output node C. If the indirect path to C (via B) is slower than the direct path a pulse of output is produced in the time period before levels of B are high enough to inhibit synthesis of C. Response to epidermal growth factor (EGF) in dividing mammalian cells is an example of a Type 1 incoherent FFL. The frequent observation of feed forward loops in various biological contexts across multiple scales suggests that they have structural properties that are highly adaptive in many contexts. Several theoretical and experimental studies including those discussed here show that FFLs create a mechanism for biological systems to process and store information, which is important for predictive behavior and survival in complex dynamically changing environments.

Есептеудегі Feed-forward жүйелері

Компьютерлік есептеулерде, "feed forward" әдетте перцептрон желісін білдіреді, онда барлық нейрондардың шығыстары келесі қабаттарға бағытталады, ал бұрынғы қабаттарға емес, сондықтан кері байланыс тізбегі болмайды. Бұл байланыстар оқыту фазасында құрылады, ол жүйенің кері байланыс жүйесі ретінде жұмыс істеу кезеңі болып табылады.

Ұзақ қашықтыққа телефон

1970-ші жылдардың басында қалааралық коаксиалды беріліс жүйелері, L тасымалдауышы сияқты, сызықтық бұрмалауды азайту үшін алдын ала күшейткіштерді пайдаланды. Бұл күрделі әдіс, бұрынғы кері байланыс жүйелерімен салыстырғанда, кеңірек жолақты қолдануға мүмкіндік берді. Дегенмен, оптикалық талшықтар көптеген жүйелер салынбастан бұрын оларды қолданусыз қалдырды.

Автоматтандыру және машинаны басқару

Feedforward бақылау – автоматтандыруда қолданылатын автоматты басқару саласы.

Тармақты қаржы құралдарымен қатар берілетін сыйақы (PFCD)

Бұл әдіс – бұл ең аз фазалы емес жүйенің ашық циклдік ауысу функциясының фазасын ең аз фазаға түрлендіретін жаңа техника.