Princippet, der styrer alt fra raketlandinger til renter

Den vellykkede første testflyvning med SpaceX Falcon Heavy -affyringsvognen onsdag morgen var en fantastisk teknologisk bedrift - og fantastisk teater.

Falcon Heavy er den næstmægtigste raket, der nogensinde er blevet lanceret, lige bag Saturn V -raketterne, der sendte mennesker til månen, og er den mest kraftfulde raket i øjeblikket i drift. Det er også bemærkelsesværdigt, at denne raket blev designet og lanceret af et privat firma - Elon Musk's SpaceX. Mens NASA har et lignende lanceringskøretøj under udvikling, nogle skøn over lanceringsomkostningerne er over ti gange så store som Falcon Heavy.

Nogle af disse omkostningsbesparelser er knyttet til et af de mest visuelt spektakulære elementer i testflyvningen:samtidig oprejst landing af de to sideboostere.

Disse to SpaceX -boostere, der autonomt landede perfekt i kor, var en af ​​de mest fantastiske ting, jeg har set længe. Nogle gange føles det virkelig som om vi lever i fremtiden. pic.twitter.com/6miWqKeUWl

- Mike Murphy (@mcwm) 6. februar kl. 2018

Standard praksis har været at skubbe sådanne boostere ud i havet, men SpaceX lander sikkert disse boostere og kan derefter genbruge dem på efterfølgende flyvninger. Det underliggende princip, der gør landingen mulig, er "feedback -kontrol" eller, faktisk, automatisk feedback kontrol.

Feedbackkontrol er overalt

Feedbackkontrol er almindelig og udbredt. Faktisk, så almindelig og udbredt, at det ofte går ubemærket hen. Imidlertid, denne "skjulte teknologi" driver de fleste, hvis ikke alle, af vores teknologi - og beskriver endda det grundlæggende i, hvordan mennesker og dyr opfører sig.

Grundtanken er en fornuftig, tænke, handle som vist i figuren herunder.

Godt designet feedback-kontrol giver robust, pålidelig, og effektive systemer ved at vælge korrigerende handlinger baseret på indsamling af tilgængelige data.

Overvej en fartpilot på en bil, der ikke bruger feedbackkontrol, men holder kun speederen i en fast position. Hastigheden stiger, hvis vi er på vej ned ad bakke, eller falder, hvis vi er på vej op ad bakke. Det er let at rette op på dette med feedback -kontrol. Mål bilens hastighed (sense), beslutte, om bilen kører hurtigere eller langsommere end ønsket (tænk), og skift derefter speederen korrekt (handling).

Automatisk feedbackkontrol er også nøglen til at holde lyset tændt. Elnet er designet til at fungere med en frekvens på enten 50 eller 60 Hertz. Den faktiske frekvens ændres over tid afhængigt af belastningen, som derefter kompenseres af reaktive ændringer i generationen, såsom at rotere generatorer hurtigere eller langsommere. Med andre ord, vi måler frekvensen (sans), beregne en passende korrigerende handling (tænk), og implementer derefter denne handling (handling).

Det samme princip virker i menneskekroppen og kan efterlignes af kunstige organer, såsom den kunstige bugspytkirtel under udvikling ved University of Newcastle af et team ledet af professor Graham Goodwin. Bugspytkirtlen spiller en central rolle i reguleringen af ​​blodglukoseniveauer, og en funktionsdygtig bugspytkirtel fører til diabetes. En kunstig bugspytkirtel ville igen følge sansen, tænke, handle paradigme ved at måle blodglukoseniveauer (sans), ved hjælp af en klinisk model af patienten til at beregne en insulindosis (tænk), og derefter levere den beregnede dosis (handling).

Det omfatter endda finansielle institutioner, såsom Reserve Bank of Australia. Et af Reserve Banks mål er at sikre stabiliteten af ​​den australske dollar. Det vigtigste værktøj, der bruges til at nå dette mål, er fastsættelse af renter. Her igen, vi ser brugen af ​​feedbackkontrolideen. Reservebanken indsamler data om en række økonomiske indikatorer, såsom beskæftigelsesniveau og inflation (forstand), analyserer dataene for at bestemme en rente (tænk), og derefter indstiller renten (akt).

Balancering af Falcon Heavy -boostere

Vender tilbage til landingen af ​​Falcon Heavy -boosterne, der er en række lignende og velkendte balanceringsproblemer:Segway, balance mellem offshore boreplatforme over et brøndhoved, eller endda gå på to ben. En cirkusinspireret analogi forsøger at balancere et kostes håndtag på fingerspidserne.

Hver Falcon Heavy booster udfører dette balanceringstrick ved at have ni motorer, der hver især kan sigte. Ser nøje landingsvideoen, det er muligt at se de forskellige motorer skyde på forskellige tidspunkter og med forskellige intensiteter.

Det er også muligt at se den centrale motor ændre retning. I kvasthåndtaget analogi, ændring af motorers intensitet og orientering svarer til at bevæge din hånd for at holde kostekåndtaget oprejst. I begge tilfælde, det er muligt at måle orienteringen af ​​raketten/kost (sans), beslutte, hvordan du skal fyre motorerne eller flytte din hånd (tænk), og derefter gennemføre disse beslutninger (handling).

Mens eksemplerne diskuteret ovenfor kommer fra meget forskellige domæner, de deler den fælles attribut for nøglemængder eller variabler, der ændrer sig over tid. Med andre ord, de er dynamiske systemer.

For hvert af disse eksempler kan vi konstruere matematiske modeller, der ofte viser sig at være ens på trods af at de kommer fra meget forskellige applikationer. Det rige matematiske område af feedback-kontrolteori til tider tilvejebringer en klar-til-brug-algoritme til beregningerne omfattende "tænk" -delen af ​​feedback-kontrolsløjfen.

Imidlertid, til mange forestillede applikationer, såsom førerløse biler, smarte elnet, eller optimal kulstofprissætning, disse algoritmer er stadig genstand for aktiv forskning.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.