Прямая связь (контроль) - Feed forward (control)

Основная статья: Прогноз

А кормить вперед, иногда написано прямая связь, это элемент или путь внутри система контроля 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 поведение с прямой связью, реагирует на свой управляющий сигнал заранее определенным образом, не реагируя на реакцию нагрузки; это контрастирует с системой, которая также имеет Обратная связь, который 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 регулирующей переменной не основана на ошибках. Вместо этого он основан на знании процесса в форме математической модели процесса и знании или измерениях нарушений процесса.^[1]

Некоторые предварительные условия необходимы для того, чтобы схема управления была надежной благодаря 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 дополнительно отрегулирован; любая корректирующая регулировка должна осуществляться посредством нового управляющего сигнала. Напротив, «круиз-контроль» регулирует выходной сигнал в зависимости от нагрузки, с которой он сталкивается, с помощью механизма обратной связи.

Эти системы могут относиться к теория управления, физиология, или же вычисление.

Обзор

При управлении с прямой или прямой связью возмущения 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.

Термин имеет особое значение в области CPU-based. автоматический контроль. Дисциплина «упреждающего управления» применительно к современным автоматическим элементам управления на базе ЦП широко обсуждается, но редко применяется на практике из-за сложности и затрат на разработку или обеспечение математическая модель требуется для облегчения этого типа контроля. Управление без обратной связи и контроль обратной связи, часто на основе консервов ПИД-регулирование алгоритмы, гораздо более широко используются.^[2][3][4]

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 управление автомобилем без усилителя; система рулевого управления не имеет доступа к дополнительному источнику энергии и не реагирует на переменное сопротивление повороту направляющих колес; водитель должен сделать это без помощи рулевого управления. В сравнении, усилитель руля имеет доступ к управляемому вспомогательному источнику энергии, который зависит от частоты вращения двигателя. При повороте рулевого колеса 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. Видеть Прогностический контроль модели.

Если вы включите водителя в систему, то он обеспечит 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, и вся система рассматривается как черный ящик.

Управление с прогнозированием существенно отличается от управления без обратной связи и телеоператор системы. 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 системы управления без обратной связи, ни системы телеоператора не требуют сложной математической модели физическая система или завод под контролем. Управление на основе ввода оператора без комплексной обработки и интерпретации с помощью математической модели системы является системой телеоператора и не считается управлением с прямой связью.^[5][6]

История

Исторически термин «прямая связь» встречается в работах Гарольда С. Блэка в патенте США 1686792 (изобретен 17 марта 1923 г.) и Д. М. Маккей еще в 1956 году. Хотя работа Маккея находится в 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, которые использовали термин «прямая связь», обычно писали о теориях работы мозга человека или животных.^[7] 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 в Технологический институт Джорджии, Массачусетский технологический институт, Стэнфорд и Университет Карнеги-Меллона. В научных публикациях Feedforward обычно не переносится через дефис. 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.^{[5][8][9][10]}

Преимущества

Преимущества прямого управления значительны и часто могут оправдать дополнительные затраты, время и усилия, необходимые для внедрения технологии. Точность управления часто можно повысить на порядок величины если математическая модель достаточно качественная и реализация закона упреждающего управления хорошо продумана. Потребление энергии системой управления с прямой связью и ее драйвером обычно значительно ниже, чем с другими элементами управления. Стабильность повышается, так что управляемое устройство может быть построено из более дешевых, легких и пружинящих материалов, но при этом остается очень точным и может работать на высоких скоростях. Другие преимущества упреждающего управления включают уменьшение износа оборудования, более низкие затраты на техническое обслуживание, более высокую надежность и существенное сокращение гистерезис. Управление с прогнозированием часто сочетается с управлением с обратной связью для оптимизации производительности.^{[5][11][12][13][9]}

Модель

Математическая модель установки (машины, процесса или организма), используемая системой упреждающего управления, может быть создана и введена инженер по контролю или это может быть изучено системой управления.^[14] Системы управления, способные изучать и / или адаптировать свою математическую модель, стали более практичными, поскольку микропроцессор скорости увеличились. Современное управление с прямой связью стало возможным благодаря изобретению микропроцессоров.^[5][6]

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 легким, гибким роботизированная рука, это может быть так же просто, как компенсация между тем, когда рука робота несет полезная нагрузка а когда его 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 в другую систему для выполнения, не удовлетворяют приведенному выше определению упреждающего управления. Если система не включает средства для обнаружения возмущения или приема входных данных и обработки этих входных данных через математическую модель для определения требуемой модификации управляющего воздействия, это не является истинным управлением с прогнозированием.^[15][16][17]

Открытая система

В теория систем, открытая система это система с прямой связью, в которой нет Обратная связь контролировать его выход. Напротив, закрытая система используется в контуре обратной связи для управления работой системы. В открытой системе выходной сигнал системы не возвращается на вход системы для управления или работы.

Приложения

Физиологическая система прямой связи

Основная статья: Нейронный контроль физиологии сверху вниз

В физиология, управление с прямой связью иллюстрируется нормальным упреждающим регулированием сердцебиения перед фактическими физическими нагрузками центральной автономная сеть. Упреждающий контроль можно сравнить с усвоенными упреждающими реакциями 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 многими регионами животных. мозги.^[18]

Даже в случае биологических систем с прямой связью, таких как человеческий мозг, знания или ментальная модель растения (тела) можно считать математическим, поскольку модель характеризуется ограничениями, ритмами, механикой и закономерностями.^[7][15]

Чистая система прямой связи отличается от гомеостатический система контроля, которая имеет функцию поддержания внутренней среды организма в «устойчивом» состоянии или в «длительном устойчивом состоянии готовности». Гомеостатическая система управления полагается в основном 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 фактор транскрипции для последнего. Мотив, который преимущественно встречается во всех известных сетях (Кишечная палочка, Дрожжи, ...) - A активирует B, A и B активируют C. Этот мотив, как было показано, является системой с прямой связью, обнаруживающей невременное изменение окружающей среды. Эта тема управления прямой связью обычно наблюдается в клон кроветворных клеток развитие, где взяты необратимые обязательства.

Системы с прямой связью в вычислениях

Основная статья: Перцептрон

В вычисление, прямая связь обычно относится к перцептрон сеть, в которой выходы со всех нейроны перейти к следующему, но не предшествующему слои, так что нет петли обратной связи. Соединения устанавливаются во время фазы обучения, когда система фактически является системой обратной связи.

Междугородняя телефония

В начале 1970-х годов междугородние коаксиальные системы передачи, включая L-носитель, использовал усилители с прямой связью для уменьшения линейных искажений. Этот более сложный метод позволил расширить пропускная способность чем раньше Обратная связь системы. Оптоволокно однако сделали 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 неминимальная фаза система в минимальная фаза.^[19]

Смотрите также

• Черный ящик
• Предсказатель Смита

Рекомендации

1. Хауген, Ф. (2009). Базовая динамика и контроль. ISBN  978-82-91748-13-9.
2. «Основы управления движением» (PDF). ЭТО. Архивировано из оригинал (PDF) 27 сентября 2011 г.. Получено 23 февраля 2013.
3. Книга, W.J. и Cetinkunt, S. (декабрь 1985 г.). «Оптимальное управление гибкими манипуляторами роботов ИЛИ фиксированными путями». Конференция IEEE по принятию решений и контролю.
4. Остинг, К. и Дикерсон, С. (1986). «Управление легкой рукой робота». Международная конференция IEEE по промышленной автоматизации.
5. Остинг К.В., Моделирование стратегий управления для легкой гибкой роботизированной руки с двумя степенями свободы, Диссертация, Технологический институт Джорджии, кафедра машиностроения, 1987.
6. Альбертс, Т.Э., Сангверапхунсири, В. и Бук, Уэйн Дж., Оптимальное управление гибким манипулятором: Том I, Динамическое моделирование, Технический отчет MHRC, MHRC-TR-85-06, Технологический институт Джорджии, 1985.
7. Маккей, Д. М. (1966): «Церебральная организация и сознательный контроль действий». В: Дж. К. Экклс (ред.), Мозг и сознательный опыт, Springer, стр. 422–440.
8. Альбертс Т.Э. Расширение возможностей управления гибким манипулятором с помощью пассивного механического демпфирования, доктор философии. Диссертация, Технологический институт Джорджии, кафедра машиностроения, август 1986 г.
9. Остинг, К. и Дикерсон, С.Л., «Прямое управление для стабилизации», 1987, ASME
10. Бруно Сицилиано и Усама Хатиб, Справочник Springer по робототехнике, Springer-Verlag, 2008.
11. «Управление с прогнозированием» (PDF). Университет Бен-Гуриона. Получено 23 февраля 2013.
12. Гастингс Г.Г. Управление гибкими манипуляторами, экспериментальное исследование, доктор философии. Диссертация, кафедра мех. Eng., Технологический институт Джорджии, август 1986 г.
13. Остинг, К. и Дикерсон, С.Л., «Недорогой, высокоскоростной автоматизированный контроль», 1991 г., отраслевой отчет.
14. «Обученная связь вперед - инновации в управлении движением». Технологическая ассоциация Грузии. Получено 24 февраля 2013.
15. Грин, П. Х. (1969): "Поиск математических моделей умелых действий". В: Х.С. Маффли / Д. Bootzin (Eds.), Biomechanics, Plenum, стр. 149–180.
16. Книга, У.Дж., Моделирование, проектирование и управление гибкими манипуляторами, доктор философии. Диссертация, Массачусетский технологический институт, кафедра мех. Eng., Апрель 1974 г.
17. Майцца-Нето, О., Модальный анализ и управление гибкими манипуляторами, канд. Диссертация, Массачусетский технологический институт, кафедра мех. Eng., Сентябрь 1974 г.
18. «Контроль обратной связи». Энциклопедия психологии. Архивировано из оригинал 5 октября 2011 г.. Получено 24 февраля 2013.
19. Нури, К. (2019). «Управление положением наконечника одинарных гибких звеньев с помощью параллельной компенсации упреждения» (PDF). КАК Я.

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. Молекулярная биология 334:197-204 (2003).
• Фосс, С., Фосс, К., и Трапп. (2002). Современные взгляды на риторику (3-е изд.). Waveland Press, Inc.
• Книга, W.J. и Cetinkunt, S., "Оптимальное управление гибкими манипуляторами роботов ИЛИ фиксированными путями", Конференция IEEE по принятию решений и управлению. Декабрь 1985 г.
• Meckl, P.H. и Зиринг, В.П., «Методы управления с прямой связью обеспечивают быстрое установление 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.С., 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, Р. Б., "Проектирование рычага прямого привода Массачусетского технологического института", Int. Symp. по дизайну и синтезу, Япония, июль 1984 г.
• Рамериз, Р. Б., Конструкция руки робота из высокоскоростного графитового композитного материала. Диссертация, M.E., Массачусетский технологический институт, февраль 1984 г.
• Балас, М.Дж., "Управление гибкими системами с обратной связью", IEEE Trans. по автоматическому управлению, том AC-23, №4, август 1978 г., стр. 673–679.
• Балас, М.Дж., "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 лучей, двух соединенных систем с распределенной гибкостью", Журнал динамических систем, измерений и управления, том 97, № 4, декабрь 1975 г., стр. 424–430.
• Книга, W.J., «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 П.С., "Динамика гибкого манипулятора для космического челнока", Конференция по астродинамике AAS / AIAA, сентябрь 1977 г., Джексон-Лейк-Лодж, Вайоминг.
• Хьюз П.С., "Динамика цепочки гибких тел", Журнал астронавтических наук, 27,4, октябрь-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 одноканального манипулятора", 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 E.E., май 1978 г.
• Залаки, А., Хардт, Д.Э., «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 самонастраивающийся контроль механизма нежестких связей», Университет Пердью, предварительная копия, представленная для публикации, 1987.
• 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, К. Р., и Кэннон, Р. Х., «Сравнение раздельного и точного вычисленного управления крутящим моментом для роботов с упругими соединениями», предварительная копия, представленная для публикации, 1987.
• 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. и Дикерсон, С.Л., "Недорогой, высокоскоростной автоматизированный контроль", 1991 г., отраслевой отчет.
• Остинг, К. и Дикерсон, S.L., "Прямое управление для стабилизации", 1987, ASME
• Остинг, К. 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.У., "Система упреждающего контроля для солнечного трекера", 2009 г., патент заявлен.
• Остинг, К.У., «Интеллектуальное слежение за Солнцем», июль 2010 г., презентация InterSolar NA