Părere

Diagrama bloc a unui control de feedback.

În fizică și automatizare și fundațiile electronice , feedback-ul sau retroreglarea ( feedback-ul în engleză , dar și adesea folosit în italiană ) este capacitatea unui sistem dinamic de a ține cont de rezultatele sistemului de a modifica caracteristicile sistemului în sine.

Descriere

Într-un control de feedback, valoarea ieșirii variabile din sistem este citită de controler care acționează modificând intrarea sistemului. Această caracteristică diferențiază sistemele de feedback („inel”) de sistemele non-feedback ( buclă deschisă ), în care funcția de feedback este nulă (și nu „unitară”). Pentru sistemele de feedback există trei funcții de transfer de interes pentru studiu: funcția „buclă deschisă” este deci cea a sistemului controlat $g_{d}(s)$ ${\ displaystyle g_ {d} (s)}$ ${\ displaystyle g_ {d} (s)}$ , în care există constanta multiplicativă care poate fi manipulată în timpul fazei de proiectare numită „câștig de buclă” și indicată cu k ; „bucla” este cea a sistemului de serie închis controlat de controler (considerat atât în locul rădăcinilor, cât și prin criteriul Nyquist ) care se obține făcând ieșirea să coincidă cu intrarea $L(s)=g_{d}(s)g_{c}(s)$ ${\ displaystyle L (s) = g_ {d} (s) g_ {c} (s)}$ ${\ displaystyle L (s) = g_ {d} (s) g_ {c} (s)}$ sau prin înmulțirea acesteia în buclă deschisă cu acea caracteristică a controlerului însuși ( $g_{c}(s)$ ${\ displaystyle g_ {c} (s)}$ ${\ displaystyle g_ {c} (s)}$ ); în cele din urmă, funcția echivalentă totală (a sistemului direct echivalent cu sistemul de feedback în cauză, adică având aceeași intrare și aceeași ieșire), numită și "buclă închisă" este:

$G(s)={\frac {g_{d}(s)}{1\pm L(s)}}={\frac {g_{d}(s)}{1\pm g_{c}(s)g_{d}(s)}}$ ${\ displaystyle G (s) = {\ frac {g_ {d} (s)} {1 \ pm L (s)}} = {\ frac {g_ {d} (s)} {1 \ pm g_ {c } (s) g_ {d} (s)}}}$ ${\ displaystyle G (s) = {\ frac {g_ {d} (s)} {1 \ pm L (s)}} = {\ frac {g_ {d} (s)} {1 \ pm g_ {c } (s) g_ {d} (s)}}}$

în funcție de feedback-ul pozitiv (minus) sau negativ (plus) sau, mai degrabă, dacă semnalul controlerului este adăugat sau scăzut din semnalul de intrare din primul nod. În sistemele de control în buclă deschisă, valoarea variabilei manipulabile este determinată în sistemul nostru prin exploatarea modelelor matematice; aceste sisteme sunt numite predictive deoarece nu se efectuează nicio verificare a valorii. Pe de altă parte, în sistemele de control al feedback-ului, valoarea este determinată și corectată pe baza măsurării variabilei controlate și a verificării conformității acesteia; din acest motiv, sistemele de feedback sunt numite și „exploratorii”.

De exemplu, un sistem de vizare cu buclă deschisă calculează a priori coordonatele țintei, apoi atât direcția, cât și ridicarea, calculează efectele vântului sau ale altor agenți externi și apoi începe să tragă. Indiferent dacă ținta a fost lovită sau nu nu afectează țintirea fotografiilor ulterioare. Pe de altă parte, într-un sistem de feedback, după ce s-a tras prima lovitură, se evaluează distanța până la țintă, iar setările armei sunt modificate pe baza acestui lucru. Al doilea sistem este, prin urmare, mult mai eficient decât primul.

Teoria sistemelor de feedback este utilizată în multe domenii ale științelor pure, științelor aplicate (inclusiv controale automate ) și biologie . În acest din urmă domeniu, este interesantă aplicarea feedback-ului la studiul ecosistemului planetar cunoscut sub numele de ipoteza Gaia . Conceptul a fost introdus de matematicianul american Norbert Wiener în anii 1940 .

Feedback pozitiv

Vorbim de „feedback pozitiv” atunci când rezultatele sistemului amplifică funcționarea sistemului în sine, care, prin urmare, va produce rezultate mai mari, care vor amplifica și mai mult funcționarea sistemului. Sistemele cu feedback pozitiv sunt ușor (dar nu întotdeauna) instabile și cauzează de obicei divergența sistemului.

Feedback de albedo de gheață

un exemplu de sistem sau proces cu feedback pozitiv în natură este topirea gheții la poli . Gheața polilor, fiind albă, reflectă razele soarelui . Creșterea temperaturii globale determină topirea înghețurilor și acest lucru duce la o creștere a cantității de raze solare absorbite de pământ datorită scăderii efectului albedo , care crește și mai mult temperatura globală și topește alte înghețuri și așa mai departe. Acest sistem este instabil și duce la topirea completă a gheții. Același mecanism sau proces poate acționa și invers, întotdeauna în feedback pozitiv, ducând la expansiunea gheții din Pol.

Efect Larsen

un alt exemplu de feedback pozitiv vine din electroacustică : dat fiind faptul că un lanț electroacustic este compus în esență dintr-un traductor de intrare (de exemplu un microfon ), un aparat electronic de amplificare și un traductor de ieșire (în general un difuzor ), dacă sunetul reprodus de difuzorul revine acustic prin mediu la microfon, poate să apară un șuierat puternic sau o vibrație gravă continuă, al cărui volum , datorită reacției pozitive, tinde să crească la nesfârșit.
Acest fenomen se mai numește declanșator sau întoarcere și poate fi eliminat doar mutând microfonul departe de difuzoare, rupând astfel bucla de feedback sau scăzând drastic volumul, adică aducând coeficientul de amplificare la o valoare mai mică de unul. Dacă în lanțul de amplificare este prezent un egalizator , este uneori posibil, prin efectuarea unei ' atenuări a frecvenței tonului primerului, eliminând sau reducând efectul unui Larsen cu debut lung; acest fapt se bazează pe conceptul că prin reducerea nivelului benzii de frecvență implicate în declanșare chiar ușor cu egalizatorul, posibilitatea declanșării este efectiv redusă fără a reduce neapărat câștigul semnalului prea mult și, prin urmare, fără a modifica caracteristicile tonale ale acel semnal este prea evident. Această tehnică este utilizată în mod normal de inginerii de sunet în timpul spectacolelor live și necesită atât o ureche excelentă pentru a identifica frecvența care trebuie atenuată, cât și viteza și precizia în manevră.
De asemenea, manevra poate fi doar temporară; de exemplu, scăderea a 3 decibeli pe o anumită bandă de frecvențe pentru egalizator, apoi ridicați-o la 3 decibeli de îndată ce declanșatorul încetează. Aceasta este considerată o manevră de urgență, incapabilă să asigure stabilitatea sistemului de reproducere a sunetului.
O altă tehnică utilizată pe scară largă și cu o eficacitate mult mai mare, necesită un egalizator de tip „parametric” și constă în eliminarea doar a unei porțiuni minime a semnalului din banda în care apare declanșatorul; această tehnică face posibilă realizarea intervențiilor corective și mai „transparente”, în beneficiul deplin al integrității tonale a semnalului audio.
Același efect apare și în amplificarea chitarelor acustice , care are loc prin intermediul unui pickup acustic (deci un microfon specializat) și considerațiile de mai sus se aplică pentru eliminare. Multe amplificatoare de chitară acustică includ un filtru reglabil „notch” conceput pentru a elimina sau cel puțin a reduce efectul Larsen.
Efectul Larsen apare cu greu la chitarele electrice cu corp întreg , unde pickup-ul este de tip electromagnetic cu inducție , prin urmare foarte puțin sensibil la zgomotele acustice, dar a fost folosit de mai mulți chitariști pentru a crea efecte speciale, pur și simplu prin plasarea capului chitară pe amplificator.
Întotdeauna acest efect poate afecta reproducerea discurilor de vinil , în special la volume mari și cu rotative ieftine. Vibrațiile de joasă frecvență emise de sistemul de difuzoare „reintră” în platan și apoi în cap prin conducere acustică, generând un zgomot foarte puternic de joasă frecvență, care este practic imposibil de controlat. Pentru a contracara acest fenomen în casă, unele amplificatoare au un "rumble" sau un filtru de trecere înaltă . În epoca de aur a discotecilor era obișnuit să se realizeze suporturile pentru platanele din beton armat sau cutie umplută cu nisip , păstrate separat de structura consolei Disc jockey , astfel încât să fie cât mai izolat acustic posibil și să se utilizeze în mod deosebit și platane rotunde inerte., precum celebrul model SL 1200 al producătorului japonez Technics , care a devenit o icoană în sector și a rămas în producție timp de aproximativ 30 de ani, confirmându-și valabilitatea la locul de muncă.

Feedback negativ sau feedback

Vorbim de „feedback negativ” (sau „feedback”) atunci când rezultatele sistemului amortizează funcționarea sistemului și îl stabilizează. Sistemele de feedback negativ sunt de obicei stabile și determină de obicei convergerea sistemului. ^[1]

Este sistemul cu care fiecare amplificator audio, atât semnal cât și putere, își stabilizează autonom propriul câștig, adică funcția de transfer a amplificatorului în sine, atât în ceea ce privește câștigul, cât și răspunsul în frecvență. Este o funcție automată, complet transparentă pentru utilizator.

Sistemul de vizare explicat mai sus este un sistem de feedback negativ: rezultatul împușcării este folosit pentru a stabiliza sistemul pe țintă. Fiecare lovitură poate fi folosită pentru a orienta mai bine arma și pentru a se apropia de țintă .

Cloud (albedo) feedback

un exemplu de sistem de feedback negativ preluat din ipoteza Gaia este prezența vaporilor de apă în atmosferă . Pe măsură ce temperaturile globale cresc, se formează mai mulți vapori de apă în atmosferă, rezultând mai mulți nori . Norii, precum și gheața polului, sunt albi și, prin urmare, reflectă razele soarelui (adică au un albedo înalt). O absorbție mai mică a razelor solare de către Pământ reduce temperatura globală și, prin urmare, scade vaporii de apă din atmosferă. Datorită acestui fenomen, în absența altor intrări, cantitatea de vapori de apă din atmosferă tinde să fie stabilă.
Cu toate acestea, același proces duce și la un feedback pozitiv, de fapt, odată cu creșterea temperaturii, cantitatea de vapori de apă crește și, deoarece acesta este un gaz cu efect de seră , contribuie la creșterea în continuare a temperaturii terestre. Din acest motiv, dezbaterea dintre oamenii de știință este încă deschisă, de fapt este dificil de estimat efectul general al feedback-ului în cloud și de a determina care dintre diferitele feedback-uri are o pondere mai mare.

Geamandura plutitoare

Un alt exemplu simplu de feedback negativ este flotabilitatea unei geamanduri . De fapt, dacă geamandura tinde să se scufunde, puterea lui Arhimede crește și tinde să o facă să crească; în schimb, dacă geamandura tinde să crească, puterea lui Arhimede scade și, prin urmare, geamandura coboară din nou. Întregul sistem este adus la stabilitate, adică geamandura pluteste la o înălțime specifică. Dacă o perturbare afectează sistemul de geamandură (de exemplu valuri), sistemul reacționează prin oscilare, dar menține în continuare stabilitatea.

Întârzieri în bucla de feedback

Timpul care trece între momentul în care apare efectul și momentul în care este luat în considerare pentru a modifica sistemul se numește „întârziere în bucla de feedback”. Atunci când această întârziere este mare, pot apărea probleme de stabilitate chiar și în sistemele cu feedback negativ, care deseori dau naștere la fenomene oscilatorii .

Luați ca exemplu sistemul constând dintr-o persoană care face un duș, mixerul și furtunul care transportă apa de la mixer la capul de duș. Dacă persoana care face un duș se simte rece, întoarce mixerul către apa fierbinte, dar datorită lungimii furtunului, efectul acțiunii nu este perceput imediat de persoana care, încă simțind frig, va întoarce mixerul mai departe spre cald. În acest moment, însă, apa ar putea deveni prea fierbinte, astfel încât persoana va întoarce mixerul spre frig până când apa este suficient de rece, dar, din cauza întârzierii, și în acest caz acțiunea va fi excesivă, ducând la apă rece. În acest caz, suntem în prezența unui sistem stabil (deoarece temperatura apei rămâne întotdeauna într-un anumit interval de temperatură), dar tendința nu converge spre obiectiv, ci mai degrabă oscilantă. Oscilația nu ar avea loc dacă persoana ar regla mixerul mai încet decât timpul necesar apei pentru a parcurge conducta: dacă înainte de fiecare mișcare infinitesimală a mixerului ar aștepta efectul mișcării anterioare, nu ar risca să primească foarte cald sau apă foarte rece.

Stabilitate în tranzitorie

La fel de important este studiul stabilității unui sistem de control al feedback-ului în timpul perioadei de tranziție: este de fapt posibil ca sistemul să fie stabil atunci când este complet operațional, dar nu în intervalul de timp dintre declanșarea controlului de către controler și situație. ( ieșire ) în stare stabilă (tranzitorie), adică prezentă și aici tendințe oscilante înainte de stabilizare, ceea ce este complet nedorit în unele sisteme de control , cum ar fi sistemele servo (de exemplu, servodirecția ) în care ieșirea trebuie să urmeze fidel intrarea chiar și în tranzitorie . În acest scop, proiectarea rețelelor de compensare sau corectare a erorilor este utilă, utilizând noțiuni și instrumente tipice teoriei controlului (cum ar fi diagramele Bode , diagramele Nyquist , faza și marja de câștig).

Feedback și climă

Sistemul climatic prezintă numeroase exemple de fenomene retroactive: atunci când o tendință de încălzire provoacă efecte care induc o încălzire suplimentară vorbim de „feedback pozitiv”, când în schimb efectele produc răcire vorbim de „feedback negativ”. Principalul feedback pozitiv din sistemul climatic include vapori de apă , în timp ce principalul feedback negativ este constituit de efectul temperaturii asupra emisiilor de radiații infraroșii : pe măsură ce temperatura unui corp crește, radiația emisă crește proporțional cu puterea a patra a temperatura sa absolută ( legea Stefan-Boltzmann ). Acest efect oferă un feedback negativ puternic, care tinde să stabilizeze sistemul climatic în timp.

Pe de altă parte, unul dintre efectele de feedback pozitiv este legat de evaporarea apei. Dacă atmosfera este încălzită, presiunea de saturație a vaporilor crește și odată cu aceasta crește cantitatea de vapori de apă din atmosferă. Deoarece este principalul gaz cu efect de seră , creșterea sa face ca atmosfera să fie și mai caldă și, în consecință, o producție mai mare de vapori de apă. Acest proces de „ghiocel” continuă până când intervine un alt factor pentru a întrerupe feedback-ul. Rezultatul este un efect de seră mult mai mare decât cel datorat numai CO ₂ , deși umiditatea relativă a aerului rămâne aproape constantă ^[2] .

Pe de altă parte, topirea gheții sub formă de căldură latentă de fuziune scăzută din atmosferă și capacitatea oceanelor de a acționa ca chiuvete sunt de asemenea considerate reacții negative semnificative ale sistemului climatic.

Efectele de feedback cloud sunt în prezent un domeniu de cercetare. Privit de jos, norii emit radiații infraroșii spre suprafață, exercitând un efect de încălzire; vedere de sus, norii reflectă lumina soarelui și emit radiații în spațiu, cu efect opus. Combinația acestor efecte are ca rezultat răcirea sau încălzirea netă în funcție de tipul și înălțimea norilor. Aceste caracteristici sunt dificil de inclus în modelele climatice, parțial datorită micii lor dimensiuni în modelele de simulare ^[2] și constituie parametrizările modelului. Un exemplu în acest domeniu este ipoteza Iris , formulată în 2001 de omul de știință Richard Lindzen . ^[3]

Un efect mai subtil îl reprezintă modificările gradientului adiabatic pe măsură ce atmosfera se încălzește. Temperatura atmosferică scade odată cu creșterea înălțimii în troposferă . Deoarece emisia de radiații infraroșii este legată de puterea a patra a valorii temperaturii, radiația emisă din atmosfera superioară este mai mică decât cea emisă din atmosfera inferioară. Cea mai mare parte a radiației emise din atmosfera superioară este radiată în spațiu, în timp ce cea din atmosfera inferioară este reabsorbită de suprafață sau atmosferă. Prin urmare, intensitatea efectului de seră depinde de cât scade temperatura odată cu înălțimea: dacă este mai mare, efectul de seră va fi mai intens, în timp ce dacă este mai mic, efectul va fi mai slab. Aceste măsurători sunt foarte sensibile la erori, ceea ce face dificilă stabilirea dacă modelele climatice sunt sau nu în concordanță cu observațiile experimentale ^[4] .

Model de gheață în emisfera nordică

Model de gheață în emisfera sudică

Un alt proces important de feedback este albedo de gheață ^[5] : atunci când temperatura globală crește, înghețurile polare se topesc la o rată mai mare. Atât suprafața apărută, cât și apele reflectă mai puțină lumină solară decât gheața, așa că o absorb mai mult. Din acest motiv, încălzirea globală crește, ceea ce crește topirea gheții și continuă procesul.

De asemenea, creșterea / scăderea acoperirii vegetale și, mai general, modificarea solurilor ar afecta albedoul planetar, prin urmare, ca un feedback asupra sistemului climatic.

Încălzirea este, de asemenea, un factor declanșator pentru eliberarea de metan din diverse surse, atât pe fundul terestru, cât și pe cel oceanic. Dezghețarea permafrostului , precum cea prezentă în turbăriile înghețate din Siberia, creează un feedback pozitiv datorită eliberării de dioxid de carbon (CO ₂ ) și metan (CH ₄ ) ^[6] . În mod similar, creșterea temperaturilor oceanului poate elibera metan din depozitele de hidrat metanic adânc și clatrat de metan pe baza ipotezei clatratului . Aceste fenomene fac în prezent obiectul unor cercetări intense.

Odată cu încălzirea oceanelor, este de așteptat un feedback pozitiv asupra concentrației de CO ₂ în atmosferă datorită scăderii capacității directe de absorbție pentru solubilitate și, de asemenea, de către ecosistemele oceanice. De fapt, nivelul mezopelagic (situat la o adâncime cuprinsă între 200 m și 1000 m) suferă o reducere a cantităților de nutrienți care limitează creșterea diatomeelor în favoarea dezvoltării fitoplanctonului . Aceasta din urmă este o pompă de carbon biologică mai puțin puternică decât diatomeele ^[7] .

În cele din urmă, un alt feedback climatic mult discutat este cel al curenților oceanici: topirea gheții polare datorită încălzirii globale ar duce la o alterare a circulației termohaline și la o consecință a alterării așa-numitei benzi transportoare oceanice , în special a suprafeței nordice. -Ramură atlantică sau Curentul Golfului , cu efect de răcire asupra emisferei nordice, în special pe continentul european, contrastând, anulând sau chiar inversând tendința de încălzire din ultimele decenii.

Notă

^ Feedbackul negativ nu duce întotdeauna la stabilitate. De exemplu, având în vedere un sistem SISO liniar staționar cu poli -10 -20 și -30, cu feedback de ieșire la intrare cu o constantă de amplificare K mai mică de zero și din metoda locusului rădăcinii se poate vedea că la valori de K modul ridicat corespunde a doi poli complexi în afară de partea reală pozitivă, astfel încât sistemul de feedback va fi instabil în acest caz.
^ ^a ^b Brian J. Soden, Held, Isacc M., An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean-Atmosphere Models ( PDF ), în Journal of Climate , vol. 19, nr. 14, 1 noiembrie 2005. Adus pe 21 aprilie 2007 .
^ (EN) RS Lindzen, M.-D. Chou, AY Hou, Pământul are un iris infraroșu adaptiv? ( PDF ), în Bull. Amer. Întâlnit. Soc. , Vol. 82, nr. 3, 2001, pp. 417-432, DOI : 10.1175 / 1520-0477 (2001) 082 <0417: DTEHAA> 2.3.CO; 2 . Adus la 24 ianuarie 2014 (arhivat din original la 3 martie 2016) .
^ Panel on Climate Change Feedbacks, Climate Research Committee, National Research Council, Understanding Climate Change Feedbacks , The National Academies Press, 2003, p. 166, ISBN 978-0-309-09072-8 .
^ Thomas F. Stocker și colab. , 7.5.2 Ice Ice , in Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribuția Grupului de lucru I la al treilea raport de evaluare al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice , Grupul interguvernamental privind schimbările climatice , 20 ianuarie 2001. URL accesat la 11 februarie 2007 (arhivat din original la 5 februarie 2007) .
^ Ian Sample, „Punctul de întoarcere” al loviturilor de încălzire , pe guardian.co.uk , The Guardian, 11 august 2005. Accesat la 18 ianuarie 2007 .
^ Ken O. Buesseler și colab. , Revizitarea fluxului de carbon prin zona crepusculară a oceanului , în Știință , vol. 316, nr. 5824, 27 aprilie 2007, pp. 567-570, DOI : 10.1126 / science.1137959 , PMID 17463282 . Adus de 16 noiembrie 2007.

Bibliografie

Katsuhiko Ogata. Inginerie modernă de control . Prentice Hall, 2002.
Paolo Bolzern, Riccardo Scattolini, Nicola Schiavoni. Bazele controalelor automate . McGraw-Hill Companies, iunie 2008. ISBN 978-88-386-6434-2 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « feedback »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre feedback

linkuri externe

( EN ) Feedback (altă versiune) , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portal automat de verificări : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de verificări automate

[1] Feedbackul negativ nu duce întotdeauna la stabilitate. De exemplu, având în vedere un sistem SISO liniar staționar cu poli -10 -20 și -30, cu feedback de ieșire la intrare cu o constantă de amplificare K mai mică de zero și din metoda locusului rădăcinii se poate vedea că la valori de K modul ridicat corespunde a doi poli complexi în afară de partea reală pozitivă, astfel încât sistemul de feedback va fi instabil în acest caz.

[soden1-2] Brian J. Soden, Held, Isacc M., An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean-Atmosphere Models ( PDF ), în Journal of Climate , vol. 19, nr. 14, 1 noiembrie 2005. Adus pe 21 aprilie 2007 .

[3] (EN) RS Lindzen, M.-D. Chou, AY Hou, Pământul are un iris infraroșu adaptiv? ( PDF ), în Bull. Amer. Întâlnit. Soc. , Vol. 82, nr. 3, 2001, pp. 417-432, DOI : 10.1175 / 1520-0477 (2001) 082 <0417: DTEHAA> 2.3.CO; 2 . Adus la 24 ianuarie 2014 (arhivat din original la 3 martie 2016) .

[4] Panel on Climate Change Feedbacks, Climate Research Committee, National Research Council, Understanding Climate Change Feedbacks , The National Academies Press, 2003, p. 166, ISBN 978-0-309-09072-8 .

[5] Thomas F. Stocker și colab. , 7.5.2 Ice Ice , in Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribuția Grupului de lucru I la al treilea raport de evaluare al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice , Grupul interguvernamental privind schimbările climatice , 20 ianuarie 2001. URL accesat la 11 februarie 2007 (arhivat din original la 5 februarie 2007) .

[6] Ian Sample, „Punctul de întoarcere” al loviturilor de încălzire , pe guardian.co.uk , The Guardian, 11 august 2005. Accesat la 18 ianuarie 2007 .

[7] Ken O. Buesseler și colab. , Revizitarea fluxului de carbon prin zona crepusculară a oceanului , în Știință , vol. 316, nr. 5824, 27 aprilie 2007, pp. 567-570, DOI : 10.1126 / science.1137959 , PMID 17463282 . Adus de 16 noiembrie 2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]