Tilbakemelding

I fysikk og automatisering og grunnlaget for elektronikk er tilbakemelding eller retroregulering ( tilbakemelding på engelsk , men også ofte brukt på italiensk ) muligheten til et dynamisk system til å ta hensyn til resultatene av systemet for å modifisere egenskapene til selve systemet.

Praktiske bruksområder er termostaten fra 1620, rotoren for automatisk regulering av vindmøller fra 1745, flottøren til husholdningstanker fra 1746, sentrifugalregulatoren til James Watt fra 1789, i dag for eksempel mikroprosessorer i biler og jetmotorer.

Beskrivelse

I en tilbakemeldingskontroll leses verdien av den variable utgangen fra systemet av kontrolleren som virker ved å modifisere systeminngangen. Denne funksjonen skiller tilbakemeldingssystemer ("ring") fra ikke-tilbakemeldingssystemer ( open loop ), der tilbakemeldingsfunksjonen er null (og ikke "enhetlig"). For tilbakemeldingssystemer er det tre overføringsfunksjoner av interesse for studien: "open loop"-funksjonen er derfor funksjonen til det kontrollerte systemet , der det er den multiplikative konstanten som kan manipuleres i designstadiet kalt "loop gain" og betegnes av k ; "sløyfen" er den til det lukkede sløyfekontrollstyrte systemet (betraktet både i stedet for røttene og av Nyquist-kriteriet ) som oppnås ved å få utgangen til å falle sammen med inngangen eller ved å multiplisere den åpne sløyfe ved denne egenskapen kontrolløren selv ( ); til slutt er den totale ekvivalentfunksjonen (av det direkte systemet som tilsvarer det aktuelle tilbakemeldingssystemet, det vil si å ha samme inngang og samme utgang), også kalt "lukket sløyfe":

avhengig av om tilbakemeldingen er positiv (minus) eller negativ (pluss), eller rettere sagt om kontrolleresignalet legges til eller trekkes fra inngangssignalet i den første noden. I åpne sløyfekontrollsystemer bestemmes verdien av den manipulerbare variabelen i systemet vårt ved å utnytte matematiske modeller; disse systemene kalles prediktive fordi det ikke utføres noen verifikasjon av verdien. I tilbakemeldingskontrollsystemene derimot, bestemmes og korrigeres verdien på grunnlag av målingen av den kontrollerte variabelen og verifiseringen av dens samsvar; av denne grunn kalles tilbakemeldingssystemene også "utforskende".

For eksempel beregner et siktesystem med åpen sløyfe a priori koordinatene til målet, deretter både retningen og løftet, beregner effekten av vinden eller andre eksterne midler og begynner deretter å skyte. Hvorvidt målet er truffet eller ikke, påvirker ikke siktingen av påfølgende skudd. I et tilbakemeldingssystem derimot, etter at det første skuddet er avfyrt, evalueres avstanden til målet og våpeninnstillingene endres på bakgrunn av dette. Det andre systemet er derfor mye mer effektivt enn det første.

Tilbakemeldingssystemteori brukes innen mange felt innen rene vitenskaper, anvendte vitenskaper (inkludert automatiske kontroller ) og biologi . Konseptet ble introdusert av den amerikanske matematikeren Norbert Wiener på 1940-tallet .

Positiv tilbakemelding

Vi snakker om "positiv tilbakemelding" når resultatene av systemet forsterker funksjonen til selve systemet, som følgelig vil gi større resultater som vil forsterke funksjonen til systemet ytterligere. Systemer med positiv tilbakemelding er lett (men ikke alltid) ustabile og fører vanligvis til at systemet divergerer.

Ice albedo tilbakemelding Larsen effekt

Negativ tilbakemelding eller tilbakemelding

Vi snakker om "negativ tilbakemelding" (eller "tilbakemelding") når resultatene av systemet demper funksjonen til systemet og stabiliserer det. Negative tilbakemeldingssystemer er vanligvis stabile og fører vanligvis til at systemet konvergerer. [1]

Det er systemet som hver lydforsterker, både signal og effekt, autonomt stabiliserer sin egen forsterkning med, det vil si overføringsfunksjonen til selve forsterkeren, både når det gjelder forsterkning og frekvensrespons. Det er en automatisk funksjon, helt gjennomsiktig for brukeren.

Siktesystemet forklart ovenfor er et negativt tilbakemeldingssystem: resultatet av skuddet brukes til å stabilisere systemet på målet. Hvert skudd kan brukes til å rette våpenet bedre og komme nærmere målet .

Cloud (albedo) tilbakemelding Den flytende bøyen

Forsinkelser i tilbakemeldingssløyfen

Tiden som går mellom det øyeblikket effekten inntreffer og det øyeblikket det tas i betraktning for å modifisere systemet, kalles "forsinkelsen i tilbakemeldingssløyfen". Når denne forsinkelsen er høy, kan stabilitetsproblemer oppstå selv i systemer med negativ tilbakemelding som ofte gir opphav til oscillerende fenomener .

Tenk som eksempel på systemet som består av en person som dusjer, blandebatteriet og slangen som fører vann fra blandebatteriet til dusjhodet. Hvis den som dusjer føler seg kald, dreier han blandebatteriet mot varmtvannet, men på grunn av lengden på slangen blir ikke virkningen av handlingen umiddelbart oppfattet av den som fortsatt føler seg kald, vil dreie blanderen ytterligere mot det varme. På dette tidspunktet kan imidlertid vannet bli for varmt, så personen vil snu mikseren mot det kalde til vannet er kaldt nok, men på grunn av forsinkelsen vil handlingen også i dette tilfellet være overdreven, noe som fører til at kaldt vann. I dette tilfellet er vi i nærvær av et stabilt system (da vanntemperaturen alltid forblir innenfor et visst temperaturområde), men trenden konvergerer ikke mot målet, men svinger. Oscillasjonen ville ikke oppstå hvis personen justerte mikseren langsommere enn tiden det tar for vannet å bevege seg gjennom røret: hvis han før hver uendelig liten bevegelse av mikseren ventet på effekten av den forrige bevegelsen, ville han ikke risikere å motta veldig varmt eller veldig kaldt vann.

Stabilitet i transienten

Like viktig er studiet av stabiliteten til et tilbakemeldingskontrollsystem i overgangsperioden: det er faktisk mulig at systemet er stabilt når det er fullt operativt, men ikke i tidsintervallet mellom utløsningen av kontrollen av kontrolleren og situasjonen ( utgang ) ved steady state (transient), som også er tilstede her oscillerende trender før stabilisering, noe som er helt uønsket i noen kontrollsystemer som servosystemer (for eksempel servostyringen ) der utgangen skal trofast følge inngangen selv i forbigående. For dette formål er utformingen av kompenserende eller korrigerende feilnettverk nyttig , ved å bruke forestillinger og verktøy som er typiske for kontrollteori (som Bode -diagrammer , Nyquist-diagrammer , fase- og forsterkningsmargin).

Tilbakemelding og klima

Klimasystemet presenterer en rekke eksempler på tilbakevirkende fenomener: når en oppvarmingstrend forårsaker effekter som induserer ytterligere oppvarming snakker vi om "positiv tilbakemelding", når effektene i stedet gir avkjøling snakker vi om "negativ tilbakemelding". Den viktigste positive tilbakemeldingen i klimasystemet inkluderer vanndamp , mens den viktigste negative tilbakemeldingen utgjøres av effekten av temperatur på emisjonen av infrarød stråling : når temperaturen til et legeme øker, øker strålingen som sendes ut i forhold til fjerde potens av dens absolutte temperatur ( Stefan-Boltzmann lov ). Denne effekten gir en kraftig negativ tilbakemelding som har en tendens til å stabilisere klimasystemet over tid.

På den annen side er en av de positive tilbakemeldingseffektene knyttet til fordampning av vann. Hvis atmosfæren varmes opp, øker metningstrykket til dampen og med det øker mengden vanndamp i atmosfæren. Siden det er den viktigste drivhusgassen , gjør økningen atmosfæren enda varmere, og følgelig en større produksjon av vanndamp. Denne "snøballprosessen" fortsetter til en annen faktor griper inn for å avbryte tilbakemeldingen. Resultatet er en mye større drivhuseffekt enn det som skyldes CO 2 alene , selv om luftens relative fuktighet holder seg nesten konstant [2] .

På den annen side er smelting av is i form av latent fusjonsvarme trukket fra atmosfæren og havenes evne til å fungere som varmeavledere også å betrakte som betydelige negative tilbakemeldinger av klimasystemet.

Skyfeedback - effekter er for tiden et forskningsfelt. Sett nedenfra sender skyene ut infrarød stråling mot overflaten, og utøver en oppvarmingseffekt; sett ovenfra reflekterer skyene sollys og sender ut stråling til verdensrommet, med motsatt effekt. Kombinasjonen av disse effektene resulterer i netto avkjøling eller oppvarming avhengig av type og høyde på skyene. Disse trekkene er vanskelige å inkludere i klimamodeller, blant annet på grunn av deres lille omfang i simuleringsmodeller [2] , og utgjør modellparametriseringene. Et eksempel på dette feltet er Iris-hypotesen , formulert i 2001 av vitenskapsmannen Richard Lindzen . [3]

En mer subtil effekt er endringene i den adiabatiske gradienten når atmosfæren varmes opp. Atmosfærisk temperatur synker med økende høyde i troposfæren . Siden emisjonen av infrarød stråling er relatert til temperaturverdiens fjerde potens, er strålingen som sendes ut fra den øvre atmosfæren mindre enn den som sendes ut fra den nedre atmosfæren. Mesteparten av strålingen som sendes ut fra den øvre atmosfæren stråles ut i rommet, mens den fra den nedre atmosfæren blir reabsorbert av overflaten eller atmosfæren. Derfor avhenger intensiteten av drivhuseffekten av hvor mye temperaturen synker med høyden: hvis den er høyere, vil drivhuseffekten være mer intens, mens hvis den er lavere, vil effekten være svakere. Disse målingene er svært følsomme for feil, noe som gjør det vanskelig å fastslå hvorvidt klimamodeller stemmer overens med eksperimentelle observasjoner [4] .

En annen viktig tilbakemeldingsprosess er isalbedoen [ 5] : når den globale temperaturen øker, smelter polarisene i høyere hastighet. Både den fremkomne overflaten og vannet reflekterer mindre sollys enn is, så de absorberer det mer. Av denne grunn øker den globale oppvarmingen, noe som øker smeltingen av isen og fortsetter prosessen.

Også økningen/reduksjonen av vegetasjonsdekket og mer generelt modifikasjonen av jordsmonnet vil påvirke den planetariske albedoen, derfor som en tilbakemelding på klimasystemet.

Oppvarming er også en trigger for frigjøring av metan fra ulike kilder på både land- og havbunnen. Tining av permafrost , slik som den som finnes i frosne torvmarker i Sibir , skaper en positiv tilbakemelding på grunn av frigjøring av karbondioksid (CO 2 ) og metan (CH 4 ) [6] . Tilsvarende kan stigende havtemperaturer frigjøre metan fra dyptliggende metanhydrat og metanklatratavsetninger basert på klatrathypotesen . Disse fenomenene er for tiden gjenstand for intens forskning.

Med oppvarmingen av havene forventes det også en positiv tilbakemelding på konsentrasjonen av CO 2 i atmosfæren på grunn av nedgangen i den direkte absorpsjonskapasiteten for løselighet og også av havets økosystemer. Faktisk gjennomgår det mesopelagiske nivået (lokalisert på en dybde mellom 200 m og 1000 m) en reduksjon i mengdene av næringsstoffer som begrenser veksten av kiselalger til fordel for utviklingen av planteplankton . Sistnevnte er en mindre kraftig biologisk karbonpumpe enn kiselalger [7] .

Til slutt, en annen mye diskutert klimatisk tilbakemelding er havstrømmene: smelting av polaris på grunn av global oppvarming vil føre til en endring av den termohaline sirkulasjonen og en påfølgende endring av det såkalte Oceanic Conveyor Belt , spesielt av overflaten nord. -Atlantisk gren eller Golfens strøm , med en avkjølende effekt på den nordlige halvkule, spesielt på det europeiske kontinentet, kontrasterende, kansellere eller til og med snu oppvarmingstrenden de siste tiårene.

Merknader

  1. ^ Negativ tilbakemelding fører ikke alltid til stabilitet. For eksempel, med tanke på et stasjonært lineært SISO-system med poler -10 -20 og -30, med tilbakemelding av utgangen på inngangen med en forsterkningskonstant K mindre enn null og fra rotlokusmetoden kan det sees at ved verdier av K høy i modul tilsvarer to komplekse poler bortsett fra den virkelige positive delen, så tilbakemeldingssystemet vil være ustabilt i dette tilfellet.
  2. ^ a b Brian J. Soden, Held, Isacc M., An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean-Atmosphere Models ( PDF ), i Journal of Climate , vol. 19, n. 14, 1. november 2005. Hentet 21. april 2007 .
  3. ^ RS Lindzen , M.-D. Chou, AY Hou, Har jorden en adaptiv infrarød iris? ( PDF ), i Bull. Amer. Met. Soc. , vol. 82, n. 3, 2001, s. 417-432, DOI : 10.1175 / 1520-0477 (2001) 082 <0417: DTEHAA> 2.3.CO; 2 . Hentet 24. januar 2014 (arkivert fra originalen 3. mars 2016) .
  4. ^ Panel om tilbakemeldinger om klimaendringer, klimaforskningskomité, Nasjonalt forskningsråd, Understanding Climate Change Feedbacks , The National Academies Press, 2003, s. 166, ISBN  978-0-309-09072-8 .
  5. ^ Thomas F. Stocker et al. , 7.5.2 Sea Ice , in Climate Change 2001: The Scientific Basis. Bidrag fra arbeidsgruppe I til den tredje vurderingsrapporten til det mellomstatlige panelet for klimaendringer , det mellomstatlige panelet for klimaendringer , 20. januar 2001. URL åpnet 11. februar 2007 (arkivert fra originalen 5. februar 2007) .
  6. ^ Ian Sample, Warming Hits 'Tipping Point', på guardian.co.uk , The Guardian, 11. august 2005. Hentet 18. januar 2007 .
  7. ^ Ken O. Buesseler et al. , Revisiting Carbon Flux Through the Ocean's Twilight Zone , i Science , vol. 316, n. 5824, 27. april 2007, s. 567-570, DOI : 10.1126 / science.1137959 , PMID  17463282 . Hentet 16. november 2007 .

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker