Feed frem (kontrol) - Feed forward (control)

En feedforward , somme tider skrevet feedforward , er et element eller sti i et styresystem , som passerer en kontrollerende signal fra en kilde i sin ydre miljø til en belastning andetsteds i dens eksterne miljø. Dette er ofte et kommandosignal fra en ekstern operatør.

Et styresystem, der kun har fremadrettet adfærd, reagerer på dets styresignal på en foruddefineret måde uden at reagere på, hvordan belastningen reagerer; det er i modsætning til et system, der også har feedback , som justerer input for at tage hensyn til, hvordan det påvirker belastningen, og hvordan belastningen i sig selv kan variere uforudsigeligt; belastningen anses for at tilhøre systemets eksterne miljø.

I et feed-forward-system er reguleringsvariabeljusteringen ikke fejlbaseret. I stedet er det baseret på viden om processen i form af en matematisk model for processen og viden om eller målinger af procesforstyrrelser.

Nogle forudsætninger er nødvendige for at kontrolskemaet skal være pålideligt ved ren fremføring uden feedback: den eksterne kommando eller det styrende signal skal være tilgængeligt, og effekten af ​​systemets output på belastningen skal være kendt (det betyder normalt, at belastningen skal være forudsigeligt uændret med tiden). Undertiden kaldes ren fremføringskontrol uden feedback 'ballistisk', for når et styresignal først er sendt, kan det ikke justeres yderligere; enhver korrigerende justering skal ske ved hjælp af et nyt styresignal. I modsætning hertil justerer 'cruise control' output som svar på den belastning, det møder, ved hjælp af en feedbackmekanisme.

Disse systemer kunne relateres til kontrolteori , fysiologi eller computing .

Oversigt

Med feed-forward eller feed-forward-kontrol måles og forstyrres forstyrrelserne, før de har tid til at påvirke systemet. I huseksemplet kan et fremføringssystem måle det faktum, at døren åbnes og automatisk tænde for varmeren, før huset kan blive for koldt. Vanskeligheden ved fremføringskontrol er, at virkningerne af forstyrrelserne på systemet skal forudsiges nøjagtigt, og der må ikke være nogen umålte forstyrrelser. For eksempel, hvis et vindue blev åbnet, der ikke blev målt, kan den fremadstyrede termostat muligvis lade huset køle af.

Udtrykket har specifik betydning inden for CPU-baseret automatisk kontrol . Disciplinen "feedforward control", som det vedrører moderne, CPU-baserede automatiske kontroller, diskuteres bredt, men praktiseres sjældent på grund af vanskelighederne og omkostningerne ved at udvikle eller sørge for den nødvendige matematiske model for at lette denne type kontrol. Open-loop kontrol og feedback kontrol , ofte baseret på dåse PID kontrol algoritmer, er meget mere udbredt.

De tre typer kontrolsystem (a) Åben sløjfe (b) Feed-forward (c) Feedback (lukket sløjfe) Baseret på Hopgood (2002)

Der er tre typer kontrolsystemer: open loop, feed-forward og feedback. Et eksempel på et rent styresystem med åben sløjfe er manuel ikke-servostyret styring af en bil; styresystemet har ikke adgang til en ekstra strømkilde og reagerer ikke på varierende modstand mod drejning af retningshjulene føreren skal svare uden hjælp fra styresystemet. Til sammenligning har servostyring adgang til en kontrolleret ekstra strømkilde, hvilket afhænger af motorhastigheden. Når rattet drejes, åbnes en ventil, som tillader væske under tryk at dreje drivhjulene. En sensor overvåger dette tryk, så ventilen kun åbner nok til at få det korrekte tryk til at nå hjulets drejemekanisme. Dette er fremadgående styring, hvor systemets output, ændringen i køretøjets kørselsretning ikke spiller nogen rolle i systemet. Se Model forudsigelig kontrol .

Hvis føreren er inkluderet i systemet, giver de en feedbackvej ved at observere kørselsretningen og kompensere for fejl ved at dreje på rattet. I så fald har du et feedback-system, og blokken mærket "System" i figur (c) er et feed-forward-system.

Med andre ord kan systemer af forskellige typer indlejres, og det samlede system betragtes som en sort boks .

Feedforward-styring er tydeligt forskellig fra open loop-kontrol- og teleoperatorsystemer . Feedforward-styring kræver en matematisk model af anlægget (proces og / eller maskine, der styres) og anlæggets forhold til eventuelle input eller feedback, systemet måtte modtage. Hverken open loop-kontrol eller teleoperatorsystemer kræver sofistikering af en matematisk model af det fysiske system eller det anlæg, der styres. Kontrol baseret på operatørinput uden integreret behandling og fortolkning gennem en matematisk model af systemet er et teleoperatorsystem og betragtes ikke som fremadrettet kontrol.

Historie

Historisk set findes brugen af ​​udtrykket "feedforward" i værker af Harold S. Black i US patent 1686792 (opfundet 17. marts 1923) og DM MacKay allerede i 1956. Mens MacKays arbejde er inden for biologisk kontrolteori, han taler kun om feed-forward-systemer. MacKay nævner ikke "Feedforward Control" eller henviser til disciplinen "Feedforward Controls." MacKay og andre tidlige forfattere, der bruger udtrykket "feedforward", skriver generelt om teorier om, hvordan hjerner hos mennesker eller dyr fungerer. Black har også US patent 2102671 opfundet 2. august 1927 på feedbackteknikken anvendt på elektroniske systemer.

Disciplinen "feed-forward-kontrol" blev stort set udviklet af professorer og kandidatstuderende ved Georgia Tech , MIT , Stanford og Carnegie Mellon . Feedforward er ikke typisk bindestreg i videnskabelige publikationer. Meckl and Seering of MIT and Book og Dickerson of Georgia Tech begyndte udviklingen af ​​begreberne Feedforward Control i midten af ​​1970'erne. Disciplinen med Feedforward Controls var veldefineret i mange videnskabelige artikler, artikler og bøger i slutningen af ​​1980'erne.

Fordele

Fordelene ved feed-forward-kontrol er betydelige og kan ofte retfærdiggøre de ekstra omkostninger, tid og kræfter, der kræves for at implementere teknologien. Kontrolnøjagtighed kan ofte forbedres med så meget som en størrelsesorden, hvis den matematiske model er af tilstrækkelig kvalitet, og implementeringen af ​​feedforward-kontrolloven er gennemtænkt. Feedforward kontrolsystemets og dets drivers energiforbrug er typisk væsentligt lavere end med andre kontroller. Stabiliteten forbedres således, at den kontrollerede enhed kan bygges af lavere omkostninger, lettere vægt, fjedrende materialer, mens den stadig er meget nøjagtig og i stand til at fungere ved høje hastigheder. Andre fordele ved fremføringskontrol inkluderer reduceret slitage på udstyr, lavere vedligeholdelsesomkostninger, højere pålidelighed og en betydelig reduktion i hysterese . Feedforward-kontrol kombineres ofte med feedback-kontrol for at optimere ydeevnen.

Model

Den matematiske model af anlægget (maskine, proces eller organisme), der anvendes af feed-forward-styresystemet, kan oprettes og indtastes af en kontroltekniker, eller det kan læres af kontrolsystemet. Kontrolsystemer, der er i stand til at lære og / eller tilpasse deres matematiske model, er blevet mere praktiske, da mikroprocessorhastigheder er steget. Disciplinen med moderne fremadgående kontrol blev i sig selv muliggjort af opfindelsen af ​​mikroprocessorer.

Feedforward-kontrol kræver integration af den matematiske model i kontrolalgoritmen, således at den bruges til at bestemme kontrolhandlingerne baseret på, hvad der er kendt om tilstanden for det system, der styres. I tilfælde af kontrol til en let, fleksibel robotarm kan dette være så simpelt som at kompensere mellem når robotarmen bærer en nyttelast, og når den ikke er. Målledsvinklerne justeres for at placere nyttelasten i den ønskede position baseret på at kende afbøjningerne i armen fra den matematiske models fortolkning af forstyrrelsen forårsaget af nyttelasten. Systemer, der planlægger handlinger og derefter overfører planen til et andet system til udførelse, opfylder ikke ovenstående definition af feedforward-kontrol. Medmindre systemet inkluderer et middel til at detektere en forstyrrelse eller modtage et input og behandle det input gennem den matematiske model for at bestemme den krævede ændring af kontrolhandlingen, er det ikke sand fremadrettet kontrol.

Åbent system

I systemteorien er et åbent system et fremadrettet system, der ikke har nogen feedback-loop til at styre dets output. I modsætning hertil bruger et lukket system en feedback-sløjfe til at styre driften af ​​systemet. I et åbent system føres systemets output ikke tilbage til indgangen til systemet til styring eller drift.

Ansøgninger

Fysiologisk fremføringssystem

I fysiologi er feed-forward-kontrol eksemplificeret ved den normale forventede regulering af hjerterytme inden den faktiske fysiske anstrengelse fra det centrale autonome netværk . Feed-forward-kontrol kan sammenlignes med indlærte foregribende svar på kendte signaler ( prædiktiv kodning ). Feedbackregulering af hjerterytmen giver yderligere tilpasning til de løbende muligheder for fysisk anstrengelse. Feedforward-systemer findes også i biologisk kontrol af andre variabler i mange regioner i dyrets hjerner .

Selv i tilfælde af biologiske fremføringssystemer, såsom i den menneskelige hjerne , kan viden eller en mental model for planten (kroppen) betragtes som matematisk, da modellen er karakteriseret ved grænser, rytmer, mekanik og mønstre.

Et rent feed-forward-system adskiller sig fra et homeostatisk kontrolsystem, der har til formål at holde kroppens indre miljø 'stabilt' eller i en 'langvarig stabil tilstand af beredskab.' Et homøostatisk kontrolsystem er hovedsageligt afhængig af feedback (især negativt) ud over systemets fremføringselementer.

Genregulering og fremføring

Krydsregulering af gener kan repræsenteres ved en graf, hvor gener er knudepunkterne, og en knude er knyttet til en anden, hvis førstnævnte er en transkriptionsfaktor for sidstnævnte. Et motiv, der overvejende vises i alle kendte netværk ( E. coli , gær , ...) er A aktiverer B, A og B aktiverer C. Dette motiv har vist sig at være et fremadrettet system, der detekterer ikke-midlertidig ændring af miljø . Dette fremadgående kontroltema overholdes almindeligvis i hæmatopoietisk cellelinieudvikling , hvor der indgås irreversible forpligtelser.

Feed-forward-systemer i computing

Ved computing refererer feed-forward normalt til et perceptron- netværk, hvor output fra alle neuroner går til følgende, men ikke forudgående lag , så der er ingen feedback-sløjfer . Forbindelserne oprettes under en træningsfase, hvilket faktisk er, når systemet er et feedback-system.

Langdistancetelefoni

I begyndelsen af ​​1970'erne brugte intercity koaksiale transmissionssystemer, herunder L-carrier , feed-forward forstærkere til at mindske lineær forvrængning. Denne mere komplekse metode tillod bredere båndbredde end tidligere feedback- systemer. Optisk fiber gjorde dog sådanne systemer forældede, før mange blev bygget.

Automatisering og maskinstyring

Feedforward kontrol er en disciplin inden for automatiske kontroller inden for automatisering.

Parallel feed-forward kompensation med derivat (PFCD)

Metoden er snarere en ny teknik, der ændrer fasen i en open-loop overføringsfunktion i et ikke-minimum fasesystem til minimum fase .

Se også

• Sort kasse
• Smith forudsigelse

Referencer

Yderligere læsning