Прямое управление: прогнозирование и компенсация возмущений.

Введение

Парадигма управления, при которой ошибки измеряются до того, как они могут повлиять на систему.

Прямая передача (иногда записывается как feedforward) – это элемент или путь в системе управления, который передает управляющий сигнал от источника во внешней среде к нагрузке в другом месте внешней среды. Это часто командный сигнал от внешнего оператора. В теории управления, система управления по прямой передаче – это система управления, которая использует датчики для обнаружения возмущений, влияющих на систему, и затем применяет дополнительный вход для минимизации эффекта этих возмущений. Для этого требуется математическая модель системы, чтобы можно было правильно предсказать эффект возмущений. Система управления, которая имеет только поведение прямой передачи, реагирует на свой управляющий сигнал заранее определенным образом, не реагируя на реакцию системы; это противопоставляется системе, которая также имеет обратную связь, которая корректирует вход, учитывая его влияние на систему и возможные непредсказуемые изменения самой системы. В системе прямой передачи, корректировка управляемой переменной не основана на ошибке. Вместо этого она основана на знаниях о процессе в форме математической модели и знаниях или измерениях возмущений процесса. Для надежной работы схемы управления, основанной только на прямой передаче без обратной связи, необходимы определенные условия: должен быть доступен внешний командный или управляющий сигнал, и должно быть известно влияние выхода системы на нагрузку (обычно это означает, что нагрузка должна быть предсказуемо неизменной во времени). Иногда чистое управление по прямой передаче без обратной связи называют "баллистическим", поскольку после отправки управляющего сигнала его нельзя изменить; любая корректировка должна осуществляться посредством нового сигнала управления. В отличие от этого, "круиз-контроль" регулирует выходную мощность в ответ на встречную нагрузку с помощью механизма обратной связи. Эти системы могут быть связаны с теорией управления, физиологией или вычислительной техникой.

Обзор

При управлении с прямой связью или управлении по возмущению, возмущения измеряются и учитываются до того, как они успеют повлиять на систему. В примере с домом, система управления по прямой связи может измерять факт открытия двери и автоматически включать обогреватель, прежде чем в доме станет слишком холодно. Сложность управления по прямой связи заключается в том, что воздействие возмущений на систему должно быть точно предсказано, и не должно быть никаких неучтенных возмущений. Например, если открыто окно, которое не измеряется, термостат с управлением по прямой связи может допустить охлаждение дома. Термин имеет специфическое значение в области автоматического управления на базе процессора. Дисциплина управления по прямой связи, в контексте современных автоматических систем управления на базе процессора, широко обсуждается, но редко применяется из-за сложности и затрат на разработку или предоставление математической модели, необходимой для реализации этого типа управления. Управление разомкнутым контуром и управление по обратной связи, часто основанные на стандартных алгоритмах PID-регулирования, используются гораздо шире. Существует три типа систем управления: разомкнутый контур, управление по прямой связи и управление по обратной связи. Примером чистой системы управления разомкнутым контуром является рулевое управление автомобиля без усилителя; рулевая система не имеет доступа к вспомогательному источнику питания и не реагирует на изменение сопротивления повороту рулевого колеса; водитель должен реагировать без помощи рулевой системы. Для сравнения, усилитель руля имеет доступ к управляемому вспомогательному источнику питания, который зависит от скорости вращения двигателя. При повороте рулевого колеса открывается клапан, который позволяет жидкости под давлением поворачивать ведущие колеса. Датчик контролирует это давление, чтобы клапан открывался только настолько, чтобы создать необходимое давление в механизме поворота колес. Это управление по прямой связи, где выход системы – изменение направления движения транспортного средства – не участвует в работе системы. См. Управление с прогнозирующей моделью. 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 управления по обратной связи, а блок, обозначенный как "Система" на рисунке (c), является системой управления по прямой связи. Другими словами, системы разных типов могут быть вложены друг в друга, а общая система рассматривается как "черный ящик". Управление по прямой связи принципиально отличается от управления разомкнутым контуром и телеоператорных систем. Управление по прямой связи требует математической модели объекта управления (процесса и/или машины) и взаимосвязи объекта с любыми входными сигналами или обратной связью, которые система может получать. Ни управление разомкнутым контуром, ни телеоператорные системы не требуют такой сложности математической модели физической системы или объекта управления. Управление, основанное на вводе оператора без интегральной обработки и интерпретации посредством математической модели системы, является телеоператорной системой и не считается управлением по прямой связи.

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.

Преимущества

Преимущества прямого управления значительны и часто могут оправдать дополнительные затраты, время и усилия, необходимые для внедрения этой технологии. Точность управления часто может быть улучшена на порядок, если математическая модель достаточно качественна и реализация закона прямого управления хорошо продумана. Энергопотребление системы прямого управления и ее привода обычно существенно ниже, чем при использовании других видов управления. Повышается стабильность, что позволяет создавать контролируемое устройство из более дешевых, легких и упругих материалов, сохраняя при этом высокую точность и возможность работы на высоких скоростях. Другие преимущества прямого управления включают снижение износа оборудования, снижение затрат на техническое обслуживание, повышение надежности и существенное уменьшение гистерезиса. Прямое управление часто комбинируется с обратной связью для оптимизации производительности.

Модель

Математическая модель объекта (машины, процесса или организма), используемая системой прямого управления, может быть создана и введена инженером-технологом или изучена самой системой управления. Системы управления, способные к обучению и/или адаптации своей математической модели, стали более практическими с увеличением скорости микропроцессоров. Развитие современной дисциплины прямого управления стало возможным благодаря изобретению микропроцессоров. Прямое управление требует интеграции математической модели в алгоритм управления таким образом, чтобы она использовалась для определения управляющих воздействий на основе известных данных о состоянии контролируемого объекта. В случае управления легким, гибким роботизированным манипулятором, это может быть реализовано как простая компенсация разницы между состоянием манипулятора с полезной нагрузкой и без нее. Целевые углы соединения корректируются для размещения полезной нагрузки в требуемом положении, основываясь на знании деформаций манипулятора, полученном из интерпретации математической моделью возмущения, вызванного полезной нагрузкой. Системы, которые планируют действия и затем передают этот план другой системе для исполнения, не соответствуют вышеуказанному определению прямого управления. Если система не предусматривает средств обнаружения возмущения или получения входного сигнала и обработки этого сигнала посредством математической модели для определения необходимой коррекции управляющего воздействия, то это не является истинным прямым управлением.

Открытая система

В теории систем открытая система — это система прямого действия, не имеющая контура обратной связи для контроля выходных данных. В отличие от неё, закрытая система использует контур обратной связи для управления функционированием системы. В открытой системе выходные данные системы не возвращаются на вход для контроля или управления её работой.

Физиологическая система перекачки

В физиологии контроль по принципу предвосхищения иллюстрируется нормальной предварительной регуляцией сердечного ритма до начала фактической физической нагрузки центральной автономной сетью. Контроль по принципу предвосхищения можно сравнить с выученными предварительными реакциями на известные сигналы (предиктивное кодирование). Обратная связь в регуляции сердечного ритма обеспечивает дополнительную адаптивность к различным сценариям физической нагрузки. Системы контроля по принципу предвосхищения также встречаются в биологическом контроле других переменных во многих областях мозга животных. Даже в случае биологических систем контроля по принципу предвосхищения, таких как человеческий мозг, знания или ментальная модель объекта управления (тела) можно рассматривать как математическую, поскольку модель характеризуется ограничениями, ритмами, механизмами и закономерностями. Система чистого предвосхищения отличается от системы гомеостатического контроля, функция которой заключается в поддержании внутренней среды организма в "стабильном" состоянии или в "продолжительном состоянии готовности". Система гомеостатического контроля опирается главным образом на обратную связь (особенно отрицательную), в дополнение к элементам контроля по принципу предвосхищения.

Регулирование генов и переход к пищевым продуктам

Переключательные петли (FFL), трехузловый граф вида 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, важные для функционирования этих организмов. В *E. coli* и *S. cerevisiae* сети транскрипции были тщательно изучены, и FFL встречаются примерно в три раза чаще, чем ожидалось для случайных (Erdös-Rényi) сетей. Ребра в сетях транскрипции направлены и имеют знак, обозначающий активацию (+) или репрессию (-). Знак пути в транскрипционной сети можно получить, перемножив знаки ребер в этом пути, поэтому путь с нечетным числом отрицательных знаков является отрицательным. Существует восемь возможных трехузловых FFL, поскольку каждое из трех ребер может быть репрессией или активацией, и они могут быть классифицированы как когерентные или некогерентные FFL. Когерентные FFL имеют одинаковый знак для обоих путей от A к C, а некогерентные FFL – разные знаки для двух путей. Временная динамика FFL показывает, что когерентные FFL могут представлять собой задержки, чувствительные к знаку, которые фильтруют входной сигнал в схему. Рассмотрим дифференциальные уравнения для когерентной FFL типа I, где все ребра положительные:

где и – возрастающие функции от и , представляющие продукцию, а и – константы скорости, представляющие деградацию или разбавление и соответственно. может представлять собой AND-вентиль, где если либо или , например, если где и – ступенчатые функции. В этом случае FFL создает временную задержку между устойчивым сигналом включения, то есть увеличением и увеличением выхода . Это происходит потому, что продукция сначала должна индуцировать продукцию , которая затем необходима для индуцирования продукции . Однако временной задержки для сигнала выключения нет, поскольку уменьшение немедленно приводит к уменьшению члена продукции . Эта система, следовательно, фильтрует колебания в сигнале включения и обнаруживает устойчивые сигналы. Это особенно актуально в условиях стохастически колеблющихся сигналов. У бактерий эти схемы создают временные задержки от нескольких минут до нескольких часов. Аналогично, включающий OR-вентиль, в котором активируется либо или , представляет собой задержку, чувствительную к знаку, без задержки после шага "Включение", но с задержкой после шага "Выключение". Это связано с тем, что импульс "Включение" немедленно активирует B и C, но шаг "Выключение" не сразу приводит к деактивации C, поскольку B все еще может быть активным. Это может защитить систему от колебаний, приводящих к временной потере сигнала включения, а также может обеспечить форму памяти. Kalir, Mangan и Alon (2005) показали, что регуляторная система жгутиков у *E. coli* регулируется когерентной петлей обратной связи типа 1. Например, регулирование перехода с одного источника углерода на другой при диауксическом росте *E. coli* может контролироваться когерентной FFL типа 1. При диауксическом росте клетки используют два источника углерода, сначала быстро потребляя предпочтительный источник углерода, а затем замедляя рост в лаг-фазе, прежде чем потреблять второй, менее предпочтительный источник углерода. У *E. coli* глюкоза предпочтительнее арабинозы и лактозы. Отсутствие глюкозы представлено небольшой молекулой cAMP. Диауксический рост на глюкозе и лактозе регулируется простой регуляторной системой, включающей cAMP и *lac*-оперон. Однако рост на арабинозе регулируется петлей обратной связи с AND-вентилем, который обеспечивает примерно 20-минутную задержку между этапом "Включение", когда концентрация cAMP увеличивается при потреблении глюкозы, и экспрессией транспортеров арабинозы. Задержки для сигнала "Выключение", возникающего при наличии глюкозы, нет. Это предотвращает переход клетки к росту на арабинозе на основе краткосрочных колебаний доступности глюкозы. Кроме того, петли обратной связи могут облегчать клеточную память. Doncic и Skotheim (2003) показали этот эффект в регуляции спаривания дрожжей, где внеклеточный феромон спаривания индуцирует поведение спаривания, включая предотвращение попадания клеток в клеточный цикл. Феромон спаривания активирует MAPK-путь, 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 во времени функции концентрации внешнего феромона спаривания. Эта зависимость от прошлых уровней феромона спаривания является формой клеточной памяти. Эта система одновременно обеспечивает стабильность и обратимость. Некогерентные петли обратной связи, в которых два пути от входного узла к выходному узлу имеют разные знаки, приводят к коротким импульсам в ответ на сигнал "Включение". В этой системе вход A одновременно напрямую увеличивает и косвенно уменьшает синтез выходного узла C. Если косвенный путь к C (через B) медленнее прямого пути, то в период времени, предшествующий тому, как уровни B станут достаточно высокими, чтобы ингибировать синтез C, генерируется импульс выхода. Ответ на фактор роста эпидермиса (EGF) в делящихся клетках млекопитающих является примером некогерентной FFL типа 1. Частое наблюдение петель обратной связи в различных биологических контекстах в разных масштабах предполагает, что они обладают структурными свойствами, которые высоко адаптивны во многих контекстах. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, включая те, которые обсуждаются здесь, показывают, что FFL создают механизм для биологических систем обработки и хранения информации, что важно для предсказательного поведения и выживания в сложных, динамично меняющихся условиях.

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.

Системы передачи данных в вычислительной технике

В вычислительной технике, прямое распространение обычно относится к сети перцептронов, в которой выходные сигналы от всех нейронов направляются к последующим, но не к предыдущим слоям, таким образом, обратных связей нет. Связи устанавливаются в процессе обучения, который по сути является этапом обратной связи.

Телефония на дальние расстояния

В начале 1970-х годов в междугородных коаксиальных системах передачи, включая L-несущие, для снижения линейных искажений использовались усилители с прямой связью. Этот более сложный метод обеспечивал большую полосу пропускания, чем более ранние системы с обратной связью. Однако оптоволоконные линии сделали такие системы устаревшими еще до того, как многие были построены.

Автоматизация и управление машинами

Прямое управление — это дисциплина в области автоматического управления, применяемая в автоматизации.

Параллельная компенсация по переходу на предварительный заказ с использованием деривативного инструмента (PFCD)

Метод — это относительно новая техника, преобразующая фазовую характеристику функции передачи разомкнутой системы с неминимальной фазой в минимальную фазу.