Părere

Diagrama bloc a unui control de feedback.

În fizică și automatizare și elemente electronice fundamentale, feedback-ul sau retroregolazione (feedback-ul în engleză , dar folosit de multe ori și în italiană ) este capacitatea unui sistem dinamic de a ține cont de rezultatele sistemului de a schimba 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 care nu au feedback (pentru buclă deschisă ), adică în care funcția de feedback nu este nimic (și „unitar” nu). Pentru sistemele de feedback, există trei funcții de transfer de interes pentru studiu: „bucla deschisă” are deci funcția sistemului controlat $g_{d}(s)$ ${\ displaystyle g_ {d} (s)}$ ${\ displaystyle g_ {d} (s)}$ , În care este prezentă, constanta multiplicativă poate fi manipulată în designul cunoscut sub numele de "câștig de buclă" și indicat cu k; "bucla" este cea a sistemului într-un controler de serie închis -controllato (considerat atât în locusul rădăcinii criteriul Nyquist ) care se obține prin potrivirea ieșirii 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; astfel de sisteme se numesc 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, o buclă deschisă a unui sistem de direcționare calculează în avans 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. În schimb, într-un sistem de feedback, după ce a fost tras, prima lovitură a evaluat obiectivul de distanță și, în funcție de aceasta, schimbă setările armei. 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 patruzeci de ani .

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 de feedback pozitiv sunt ușor (dar nu întotdeauna) instabile și de obicei conduc sistemul să divergă.

Feedback de albedo de gheață

un exemplu de sistem cu feedback pozitiv în natură sau proces este topirea gheții la poli . Gheața polilor, fiind albă, reflectă razele solare . Creșterea temperaturii la nivel mondial a topit gheața și aceasta implică o creștere a cantității de radiație solară absorbită de sol pentru reducerea albedo - ului , ceea ce face să crească în continuare temperatura globală și alte topituri de gheață 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 de la „ electroacustice : plasați faptul că un lanț electroacustic este compus în esență dintr-o intrare a traductorului (de exemplu, un microfon ), de un aparat de electronică de amplificare și de un traductor de ieșire (de obicei un difuzor ), dacă sunetul reprodus de spate în mod acustic la microfon prin mediul înconjurător poate avea loc apariția unui scâncet acut sau continuă o vibrație severă, al cărei 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 inginerul de sunet în timpul spectacolelor live și necesită atât un aparat auditiv bun pentru a localiza frecvența care urmează să fie mărită la viteză, cât și precizie 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 integrității tonale a semnalului audio.
Același efect apare și în amplificarea chitarelor acustice , care are loc prin intermediul unui pickup acustic (și deci a unui microfon specializat) și aplică considerațiile de mai sus pentru ștergere. Multe amplificatoare pentru chitară acustică includ de fapt un filtru „notch” reglabil conceput pentru a elimina sau cel puțin a reduce efectul Larsen.
Efectul Larsen apare cu greu la o cutie completă de chitare electrice , unde pickup-ul este un fel de inducție electromagnetică , atât de puțin sensibil la zgomotul acustic, dar a fost folosit de mai mulți chitariști pentru a crea efecte speciale, prin simpla plasare a capului chitară amplificator.
Din nou, acest efect poate afecta redarea discurilor de vinil , în special la volum mare și cu platan rotativ ieftin. Vibrațiile frecvențelor joase emise de sistemul de difuzoare „cad” în platan și apoi se îndreaptă spre conducerea acustică, generând un zgomot puternic la frecvență joasă, practic imposibil de controlat. Pentru a combate acest fenomen în mediul casnic, anumiți amplificatori de filtru au un „rumble” sau high-pass . În era cluburilor de aur , în schimb, se obișnuia să se realizeze suporturile plăcii rotative din beton armat sau cutie umplută cu nisip , ținute separate de structura consolei Disc jockey, astfel încât să fie cât mai izolat acustic posibil și să se utilizeze rotative deosebit de grele și inerte, precum ca celebrul model SL 1200 al producătorului japonez Technics , a devenit o icoană în industrie și a rămas în producție timp de 30 de ani, confirmând validitatea 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 în general stabile și de obicei conduc sistemul să convergă. ^[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 lansare poate fi folosită pentru a îndrepta arma mai bine și pentru a se apropia de țintă .

Cloud (albedo) feedback

un exemplu de sistem cu feedback negativ preluat din „ ipoteza Gaia este prezența vaporilor de apă în atmosferă ”. Odată cu creșterea temperaturii globale, o cantitate mai mare de vapori de apă s-a format în atmosferă, dând naștere unei cantități mai mari de nori . Norii, precum și înghețurile polului, sunt albi și, prin urmare, reflectă razele soarelui (adică au un albedo înalt). O absorbție mai mică a radiației solare de către Pământ reduce temperatura generală și apoi 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 o buclă de feedback pozitiv, de fapt, odată cu creșterea temperaturii crește cantitatea de vapori de apă și, deoarece acesta este un gaz cu efect de seră , contribuie la creșterea în continuare a temperaturii Pământului. 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 exemplu simplu al unui alt feedback negativ este dat de flotabilitatea unei geamanduri . De fapt, dacă marca tinde să se scufunde, forța lui Arhimede crește și tinde să o facă să revină; în schimb, dacă geamandura tinde să crească, puterea lui Arhimede scade și de aceea 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”. Când această întârziere este mare, este posibil să aveți probleme de stabilitate chiar și în sistemele de 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, este util să se proiecteze rețele compensatoare sau erori corective, prin noțiunile și instrumentele lor de teorie de control (cum ar fi diagramele Bode , diagramele Nyquist , marja de fază și câștigul).

Feedback și climă

Sistemul climatic prezintă numeroase exemple de fenomene retroactive: atunci când o tendință de încălzire are ca rezultat efecte care induc o încălzire suplimentară vorbim de „feedback pozitiv”, când în schimb efectele produc răcire se vorbește de „feedback negativ”. Principalul feedback pozitiv din sistemul climatic include vapori de apă , în timp ce bucla principală de feedback negativ este constituită de efectul temperaturii asupra emisiei de radiații infraroșii : cu cât temperatura unui corp este mai mare, radiația emisă crește proporțional cu puterea a patra. a temperaturii sale absolute ( Stefan-Boltzmann ). Acest efect oferă un feedback negativ puternic, care tinde să stabilizeze sistemul climatic în timp.

Unul dintre efectele de feedback pozitiv este în schimb legat de „ evaporarea apei. Dacă atmosfera este încălzită, presiunea vaporilor de saturație 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 exclusiv CO _2, chiar dacă umiditatea relativă rămâne aproape constantă ^[2] .

Pe de altă parte, topirea gheții sub formă de căldură latentă de fuziune atmosferă scăzută și capacitatea oceanelor de a acționa ca rezervoare de căldură trebuie considerate, de asemenea, feedback-uri negative relevante în sistemul climatic.

Efectele de feedback datorate norilor sunt în prezent cercetate pe teren. Văzute 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 greu de inclus în modelele climatice, în parte datorită extensiei mici a acestora în modelele de simulare ^[2] și reprezintă parametrizarea modelului. Un exemplu în acest domeniu este „ ipoteza Iris , formulată în 2001 de omul de știință Richard Lindzen . ^[3]

Un efect mai subtil îl constituie modificările gradientului adiabatic în timp ce atmosfera este încălzită. 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 determinarea dacă modelele climatice aderă sau nu la observațiile experimentale ^[4] .

Model de gheață în emisfera nordică

Model de gheață în emisfera sudică

Un alt proces important de feedback este constituit de ' albedo de gheață ^[5] : când temperatura globală crește, gheața polară se topește cu 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.

Chiar și creșterea / scăderea învelișului vegetal și, mai general, modificarea albedoului planetar ar afecta solurile, astfel încât feedback-ul asupra sistemului climatic.

Încălzirea este, de asemenea, un factor declanșator pentru eliberarea de metan din diverse surse prezente atât pe uscat, cât și pe fundul oceanului. Dezghețarea permafrostului , precum cea prezentă în turbării înghețate în Siberia creează un feedback pozitiv datorită eliberării de dioxid de carbon (CO ₂₎ și metan (CH ₄₎ ^[6] . În mod similar, creșterea temperaturii oceanelor, poate elibera metan din depozitele de hidrați de metan și clatrații de metan prezenți în adâncime pe baza „ ipotezei clatraților . Aceste fenomene fac în prezent obiectul unor cercetări intense.

Odată cu încălzirea oceanelor se așteaptă un feedback pozitiv asupra concentrației de CO ₂ în atmosferă , datorită scăderii capacității de absorbție directă pentru solubilitate și de asemenea de ecosisteme oceanice. De fapt, nivelul mezopelagic (situat la o adâncime cuprinsă între 200 m și 1000 m) suferă o reducere a cantității de nutrienți care limitează creșterea diatomeelor în favoarea dezvoltării fitoplanctonului . Aceasta din urmă este o pompă biologică de carbon 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 o consecință a așa-numitului Conveyor Oceanico , în special a ramurii superficiale Nord Atlantic sau Golful actual , cu efect de răcire a emisferei nordice, în special pe continentul european, luptând, anulând sau chiar inversând tendința de încălzire din ultimele decenii.

Notă

^ Nu întotdeauna un feedback negativ duce 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 la 21 aprilie 2007.
^ (EN) RS Lindzen, M.-D. Chou, AY Hou, Pământul are un iris adaptabil în infraroșu? (PDF), în Bull. Amer. Întâlnit. Soc., Voi. 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 (depus de „url original 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 Gheață de mare asupra schimbărilor climatice 2001: baza științifică. 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. Accesat la 11 februarie 2007 (depus de „Adresa URL originală la 5 februarie 2007).
^ Ian Sample, „Punctul de întoarcere” al loviturilor de încălzire Pe guardian.co.uk, The Guardian, 11 august 2005. Adus la 18 ianuarie 2007.
^ Ken Buesseler O. 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 la 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 intrarea în dicționar „ feedback ”
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre feedback

linkuri externe

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

Portal Controale automate Puteți ajuta Wikipedia extinzându-le controalele automate

[1] Nu întotdeauna un feedback negativ duce 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] 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 la 21 aprilie 2007.

[3] (EN) RS Lindzen, M.-D. Chou, AY Hou, Pământul are un iris adaptabil în infraroșu? (PDF), în Bull. Amer. Întâlnit. Soc., Voi. 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 (depus de „url original 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 Gheață de mare asupra schimbărilor climatice 2001: baza științifică. 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. Accesat la 11 februarie 2007 (depus de „Adresa URL originală la 5 februarie 2007).

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

[7] Ken Buesseler O. 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 la 16 noiembrie 2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]