Feed forward
کنترل پیشخور
پیشخور اصطلاحی است که به توصیف عنصر یا مسیر موجود در سیستم کنترل میپردازد که از یک سیگنال کنترل ناشی از منبعی در محیط خارجی اش عبور میکند تا به باری در محیط خارجی (کنترل ) برسد؛ این سیگنال اغلب سیگنال فرمانی است که از یک اپراتور خارجی ناشی می شود.
سیستم کنترلی که فقط رفتار پیشخور داشته باشد با سیگنال کنترلش به شکلی از پیش تعریف شده پاسخ میدهد بدون اینکه به چگونگی واکنش بار پاسخ دهد؛ این امر با سیستمی که پیشخور دارد نیز در تضاد است، یعنی سیستمی که خروجی را برای نحوه‌ی اثرگذاری بار تنظیم میکند و نشان می دهد که بار چگونه به طرز غیرقابل پیش‌بینی ای ممکن است تغییر کند؛ بار معمولا متعلق به محیط خارجی سیستم است.
در سیستم پیشخور، تنظیم متغیر کنترل، مبتنی بر خطا نیست. در عوض، این مورد بر پایه ی دانشی درباره‌ی روند است و به شکل مدلی ریاضی از دانش و روند در خصوص اندازه‌گیری روند اختلالات نمود می یابد. پیشخور خالص و بدون بازخورد، برای پایایی طرح کنترل به پیش‌نیازهایی نیاز دارد: فرمان خارجی و یا سیگنال کنترل باید در دسترس باشد، تاثیر خروجی سیستم بر بار باید شناخته شده باشد (که معمولا بدان معنی است که بار باید با زمان تغییر نکند و این امر قابل پیش‌بینی باشد). گاهی اوقات، کنترل پیشخور خالص و بدون بازخورد، “بالیستیک” نامیده میشود، زیرا به محض اینکه سیگنال کنترلی فرستاده شود، دیگر تنظیم نمی شود؛ هرگونه تنظیم اصطلاحی باید از طریق سیگنال کنترل جدیدی میسر شود. در عوض، ” کروز کنترل” در پاسخ به باری که با آن موجه میشود، خروجی را از طریق مکانیسم بازخورد، تنظیم میکند.
این سیستم می تواند مربوط به نظریه کنترل، فیزیولوژی و یا محاسبات شود.
بررسی اجمالی Feed forward
با کمک کنترل پیشخور، اختلالات اندازه گیری شده و قبل از اینکه بر سیستم تاثیر بگذارند محاسبه می‌شوند. در مثال خانه، سیستم پیشخور این قضیه را اندازه گیری می کند که با باز شدن درب، سیستم گرمایی خانه شروع به کار کند درست قبل از اینکه خانه سرد شود. مشکل کنترل پیشخور آنست که تاثیر اختلالات بر سیستم باید به درستی پیش بینی شوند و هیچگونه اختلال اندازه گیری نشده ای نباید وجود داشته باشد. برای مثال، اگر پنجره ای باز شود که قبلا مورد اندازه گیری قرار نگرفته بود، ترموستات دارای کنترل پیشخور، باعث میشود که خانه سرد بماند.
این اصطلاح در زمینه‌ی کنترل اتوماتیک مبتنی بر CPU معانی خاصی دارد. قضیه‌ی “کنترل پیشخور” درخصوص کنترل‌های اتوماتیک مبتنی بر CPU به شدت مورد بحث قرار گرفته است اما به ندرت در زمینه ی مشکلات و هزینه ی تولید و توسعه ی مدل‌های ریاضی موجود در تجهیزات این گونه کنترل‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. کنترل حلقه باز و کنترل بازخورد، اغلب بر پایه‌ی الگوریتم کنترل PID هستند و به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
سه نوع سیستم کنترلی وجود دارد: حلقه باز، پیشخور، و بازخورد. مثالی که می‌توانیم برای سیستم کنترل حلقه‌باز خالص بزنیم فرمان دستی غیر برقی ماشین است؛ سیستم فرمان به منبع برق کمکی دسترسی ندارد و به مقاومت‌های مختلف مربوط به چرخش جهت چرخ پاسخ نمی‌دهد؛ راننده بایذ بدون کمک گرفتن از سیستم فرمان پاسخ دهد. درعوض، فرمان برقی به منبع برق کمکی کنترل شده که به سرعت موتور وابسته است، دسترسی دارد. وقتی فرمان میچرخد، سوپاپی باز میشود که به مایع تحت فشار این امکان را می دهد که چرخ ماشین را بچرخاند. سنسور، آن فشار را بررسی می کند تا سوپاپ تنها به اندازه ای باز شود که فشار مناسب ایجاد شود و این فشار به مکانیسم چرخش چرخ برسد. این کنترل پیشخور که در ان خروجی سیستم و تغییر جهت حرکت وسیله نقلیه، نقشی را در سیستم ایفا نمی کند.
اگر شما درایور را وارد سیستم کنید، درایور مسیر بازخوردی را از طریق نظارت بر جهت حرکت فراهم میکند و خطاهای مربوط به چرخش فرمان را جبران میکند.
به عبارت دیگر، سیستم کلی بعنوان جعبه‌ی سیاه در نظر گرفته می شود.
کنترل پیشخور از کنترل حلقه باز و سیستم تله اپراتور متفاوت و مجزا است. کنترل پیشخور نیاز به مدلی ریاضی از دستگاه (روند و کنترل ماشین) و ارتباط دستگاه با ورودی ها یا بازخورد دریافتی سیستم دارد. نه کنترل حلقه باز و نه سیستم تله اپراتور نیازی به مدل ریاضی سیستم فیزیکی یا کنترل دستگاه ندارند. کنترل مبتنی بر ورودی اپراتور بدون پردازش و تفسیر انتگرال از طریق مدل ریاضی، سیستم تله اپراتور است و کنترل پیشخور نیست.
تاریخچه
استفاده از اصطلاح ” پیشخور” در کار دکتر دی ام مککی و در سال 1956 برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت. درحالیکه کار مککی در زمینه ی تئوری کنترل بیولوژیکی است اما او فقط از سیستم پیشخور صحبت میکند. مککی حرفی از “کنترل پیشخور” نمی زند و یا اشاره ای به آن نیز نمی کند. مککی و محققان دیگری که از اصطلاح “پیشخور” استفاده کردند عموما درباره‌ی تئوریهای مربوط به چگونگی کار مغز انسانها و حیوانات نوشته‌اند.
نظریه‌ی “کنترل پیشخور” توسط پروفسوران و دانشجویان تحصیلات تکمیلی MIT، تکنولوژی گرجستان، و استنفورد، و کارنگی ملون توسعه داده شد. پیشخور معمولا در نشریات علمی آورده نشده است. مکل (Meckl) و سیرینگ از MIT و بوک و دیکرسون از تکنولوژی گرجستان شروع به توسعه ی مفاهیم کنترل پیشخور در میانه ی 1970 نمودند. قضیه ی کنترل پیشخور به خوبی در بسیاری از مقالات علمی، کتب و گزارشات در دهه‌ی 1980 تعریف شده است.
مزایا
مزایای کنترل پیشخور قابل توجه است و اغلب در توجیه هزینه های اضافی ، زمان و تلاش مورد نیاز برای پیاده سازی فناوری مورد استفاده قرار میگیرد. دقت کنترل اغلب توسط بزرگی دستور پیشرفت میکند البته اگر مدل ریاضی به اندازه ی کافی دارای کیفیت باشد و پیاده سازی قانون کنترل پیشخور به خوبی مورد توجه قرار گرفته باشد. مصرف انرژی توسط سیستم کنترل پیشخور و درایور (محرک) آن معمولا کمتر از مصرف انرژی در دیگر کنترل هاست. دستگاهِ کنترل با قیمت پایینتر، وزن کمتر و موادی که بسیار دقیق بوده و قادر به کار در سرعت بالا است، ساخته می شود؛ به این شکل پایداری(stability) افزایش می یابد. دیگر مزایای کنترل پیشخور شامل فرسایش کم تجهیزات، هزینه ی کم نگهداری، پایایی بالاتر و کاهش چشمگیر پسماند است. کنترل پیشخور اغلب با کنترل بازخورد برای بهینه سازی عملکرد ترکیب می شود.
مدل
مدل ریاضی دستگاه ( ماشین آلات، روند و ارگانیسم) که توسط سیستم کنترل بازخورد مورد استفاده قرار میگیرد ممکن است از طریق مهندس کنترل ساخته شود و یا از طریق سیستم کنترل آموخته شود. توانایی سیستمهای کنترل در یادگیری و تطبیق مدل ریاضی با افزایش سرعت ریزپردازنده ها، عملی تر شده اند. کنترل پیشخور با اختراع ریزپردازنده ها ممکن شد.
کنترل پیشخور نیازمند یکپارچه سازی مدل ریاضی و تبدیل آن به الگوریتم کنترل است؛ کنترل پیشخور برای تعیین اقدامات کنترلیِ مبتنی بر دانسته‌های مربوط به حالت سیستم کنترل شده، مورد استفاده قرار میگیرد. در مورد کنترل بازوی رباتیک منعطف، و سبک، این نوع کنترل خیلی ساده است و مربوط به وقتی است که تفاوت در حمل محموله ای توسط بازو با وقتی باشد که بازوی رباتیک چیزی را حمل نکند.
زوایای مفاصل هدف طوری تنظیم شده اند که بتوانند محموله را در موقعیت مورد نظر و بر اساس شناسایی تغییر شکل بازو قرار دهند، این امر از طریق تفسیر مدل ریاضی از اختلالات حادث شده توسط محموله امکان پذیر است. سیستم هایی که اقداماتی را طراحی می کنند و سپس طرح را به سیستم دیگر میدهند تا آن را پیاده سازی کند، تعریف بالا از کنترل پیشخور را پوشش نمیدهند. مگر اینکه سیستم مذکور، شامل وسیله ای باشد که به موجب آن بتواند اختلالات را شناسایی کند یا ورودی را دریافت کند و آن ورودی را از طریق مدل ریاضی پردازش کند تا تغییرات مورد نیاز را در کنترل اعمال کند در غیر اینصورت کنترل پیشخور، کنترل صحیحی نیست.
سیستم باز
در نظریه سیستمها، سیستم باز به سیستم پیشخوری گفته می شود که هیچ حلقه ی باز خوردی ندارد تا خروجی آن را کنترل کند. در عوض سیستم بسته، از حلقه ی بازخورد برای کنترل بهر وری سیستم استفاده می کند. در سیستم باز، و جهت کنترل و عملکرد سیستم، خروجی آن به ورودی اش مربوط نمیشود.
سیستم پیشخور فیزیولوژیکی
در فیزیولوژی، کنترل پیشخور از طریق پیش بینی ضربان قلب نرمال پیش از فعالیت بدنی واقعی نمایان می شود. کنترل پیشخور را می توان به پاسخ پیش بینی آموخته شده ، تشبیه کرد. بازخورد ضربان قلب باعث ایجاد تطبیق بیشتر با فعالیت بدنی میشود. سیستم پیشخور نیز در کنترل بیولوژیکی مغز حیوانات و انسانها یافت میشود. حتی در مورد سیستم های پیشخور بیولوژیکی مثل مغز انسان، دانش یا مدل ذهنی دستگاه ( بدن) نیز ریاضیاتی است زیرا این مدل از طریق لیمیتها، ریتم ها و ساختارها و الگوها شناخته میشود.
سیستم پیشخور خالص با سیستم کنترلی هموستاتیک تفاوت دارد، سیستم هموستاتیک وظیفه دارد محیط داخلی بدن را ثابت یا یک حالت آمادگی پایدار طولانی نگه دارد. سیستم کنترل هموستاتیک علاوه بر عناصر پیشخور سیستم، متکی بر بازخورد ( معمولا منفی) است.
تنظیم ژن و پیشخور
تنظیم متقابل ژن می تواند توسط نموداری نشان داده شود، که در آن ژنها مثل گره هستند و یک گره به دیگری پیوند خورده بطوریکه گره قبلی فاکتور رونویسی برای گرده بعدی باشد. موتیفی که عمدتا در تمام شبکه های شناخته شده وجود داشته باشد (باکتری E. coli، مخمر، …) به اینگونه عمل می کند: الف می تواند ب و الف را فعال کند و ب می تواند ج را فعال کند. این موتیف سیستمی پیشخور است که تغییرات غیر موقت محیط را شناسایی می کند. کنترل پیشخور اغلب در دودمان سلولی خونساز مشاهده می شود؛ جایی که در آن تعهدات برگشت ناپذیر وجود دارند.
سیستم پیشخور در محاسبات
در محاسبات، پیشخور اغلب به شبکه ی پرسپترون اطلاق می شود که در آن خروجی از تمام نورونها به سلولهای بعدی منتقل می شود اما به سلول های قبلی منتقل نمی شود بنابراین هیچ حلقه ی بازخوردی وجود ندارد. اتصالات در یک فاز تمرینی تنظیم می‌شوند و سیستم باید پیشخور باشد.
ارتباط تلفنی با فاصله طولانی
در اوایل 1970، سیستم انتقال بین شهری کواکسیال ، شامل حامل L از تقویت کننده های پیشخور استفاده کرد تا اعوجاج خطی را کاهش دهد. این روش پیچیده پهنای باند گسترده تری نسبت به سیستم بازخورد داشت. فیبر نوری، چنین سیستم هایی را منسوخ کرد.
کنترل اتوماسیون و ماشین آلات
کنترل پیشخور، موردی است که کنترل اتوماتیک در اتوماسیون استفاده می شود.