Retroalimentación

En física y automatización y fundamentos de electrónica , retroalimentación o retrorregulación ( retroalimentación en inglés , pero también se usa a menudo en italiano ) es la capacidad de un sistema dinámico de tener en cuenta los resultados del sistema para modificar las características del propio sistema.

Las aplicaciones prácticas son el termostato de 1620, el rotor para regulación automática de molinos de viento de 1745, el flotador de tanques domésticos de 1746, el regulador centrífugo de James Watt de 1789, hoy por ejemplo microprocesadores en automóviles y motores a reacción.

Descripción

En un control de realimentación, el valor de la salida variable del sistema es leído por el controlador que actúa modificando la entrada del sistema. Esta característica diferencia los sistemas retroalimentados ("en anillo") de los sistemas no retroalimentados ( lazo abierto ), en los que la función retroalimentada es nula (y no "unitaria"). Para los sistemas de realimentación existen tres funciones de transferencia de interés para el estudio: la función de "lazo abierto" es por lo tanto la del sistema controlado , en el cual existe la constante multiplicativa que puede ser manipulada en la etapa de diseño denominada "ganancia de lazo" y denotada por k ; el de "lazo" es el del sistema controlado por controlador en lazo cerrado (considerado tanto en el lugar de las raíces como por el criterio de Nyquist ) que se obtiene haciendo coincidir la salida con la entrada o multiplicando el de lazo abierto por esa característica el propio controlador ( ); finalmente la función equivalente total (del sistema directo equivalente al sistema retroalimentado en cuestión, es decir que tiene la misma entrada y la misma salida), también llamada "bucle cerrado" es:

dependiendo de si la retroalimentación es positiva (menos) o negativa (más), o más bien si la señal del controlador se suma o se resta de la señal de entrada en el primer nodo. En los sistemas de control de bucle abierto, el valor de la variable manipulable se determina dentro de nuestro sistema mediante la explotación de modelos matemáticos; estos sistemas se denominan predictivos porque no se realiza ninguna verificación del valor. En los sistemas de control por retroalimentación, en cambio, el valor se determina y corrige en base a la medición de la variable controlada y la verificación de su cumplimiento; por esta razón, los sistemas de retroalimentación también se denominan "exploratorios".

Por ejemplo, un sistema de puntería de circuito abierto calcula a priori las coordenadas del objetivo, luego tanto la dirección como la sustentación, calcula los efectos del viento u otros agentes externos y luego comienza a disparar. Si el objetivo ha sido alcanzado o no, no afecta la puntería de los disparos posteriores. En un sistema de retroalimentación, por otro lado, después de que se haya disparado el primer disparo, se evalúa la distancia al objetivo y los ajustes del arma se modifican en base a esto. Por lo tanto, el segundo sistema es mucho más eficiente que el primero.

La teoría de los sistemas de retroalimentación se utiliza en muchos campos de las ciencias puras, las ciencias aplicadas (incluidos los controles automáticos ) y la biología . El concepto fue introducido por el matemático estadounidense Norbert Wiener en la década de 1940 .

Comentarios positivos

Hablamos de "retroalimentación positiva" cuando los resultados del sistema amplifican el funcionamiento del propio sistema, que en consecuencia producirá mayores resultados que amplificarán aún más el funcionamiento del sistema. Los sistemas con retroalimentación positiva son fácilmente (pero no siempre) inestables y generalmente hacen que el sistema diverja.

Retroalimentación del albedo del hielo efecto larsen

Comentarios negativos o comentarios

Hablamos de "retroalimentación negativa" (o "retroalimentación") cuando los resultados del sistema amortiguan el funcionamiento del sistema y lo estabilizan. Los sistemas de retroalimentación negativa suelen ser estables y suelen hacer que el sistema converja. [1]

Es el sistema con el que cada amplificador de audio, tanto de señal como de potencia, estabiliza de forma autónoma su propia ganancia, es decir la función de transferencia del propio amplificador, tanto en ganancia como en respuesta en frecuencia. Es una función automática, completamente transparente para el usuario.

El sistema de puntería explicado anteriormente es un sistema de retroalimentación negativa: el resultado del disparo se utiliza para estabilizar el sistema en el objetivo. Cada disparo se puede utilizar para apuntar mejor el arma y acercarse al objetivo .

Retroalimentación de la nube (albedo) la boya flotante

Retrasos en el ciclo de retroalimentación

El tiempo que transcurre entre el momento en que se produce el efecto y el momento en que se tiene en cuenta para modificar el sistema se denomina "retraso en el circuito de retroalimentación". Cuando este retardo es elevado, pueden producirse problemas de estabilidad incluso en sistemas con realimentación negativa que, a menudo, dan lugar a fenómenos oscilatorios .

Considere como ejemplo el sistema que consiste en una persona que se ducha, el mezclador y la manguera que lleva el agua desde el mezclador hasta el cabezal de la ducha. Si la persona que se ducha siente frío, gira la batidora hacia el agua caliente, pero debido a la longitud de la manguera, el efecto de la acción no es percibido inmediatamente por la persona que, aún sintiendo frío, girará más la batidora. hacia el calor. En este punto, sin embargo, el agua podría estar demasiado caliente, por lo que la persona girará la batidora hacia el frío hasta que el agua esté lo suficientemente fría pero, debido a la demora, también en este caso la acción será excesiva, lo que llevará a tener demasiado agua fría. En este caso estamos en presencia de un sistema estable (ya que la temperatura del agua siempre se mantiene dentro de un determinado rango de temperatura), pero la tendencia no es convergente hacia el objetivo, sino oscilante. La oscilación no se produciría si la persona ajustara la batidora más lentamente que el tiempo que tarda el agua en recorrer la tubería: si antes de cada movimiento infinitesimal de la batidora esperara el efecto del movimiento anterior, no correría el riesgo de recibir muy agua caliente o muy fría.

Estabilidad en el transitorio

Igualmente importante es el estudio de la estabilidad de un sistema de control de retroalimentación durante el período de transición: de hecho, es posible que el sistema sea estable cuando esté en pleno funcionamiento, pero no en el intervalo de tiempo entre la activación del control por parte del controlador y la situación. ( salida ) en estado estable (transitorio), que también está presente aquí tendencias oscilantes antes de estabilizarse, lo cual es completamente indeseable en algunos sistemas de control como los servosistemas (por ejemplo, la dirección asistida ) en los que la salida debe seguir fielmente la entrada incluso en el transitorio. Para ello, es útil el diseño de redes compensadoras o correctoras de errores , utilizando nociones y herramientas propias de la teoría de control (como diagramas de Bode , diagramas de Nyquist , margen de fase y ganancia).

Comentarios y clima

El sistema climático presenta numerosos ejemplos de fenómenos retroactivos: cuando una tendencia al calentamiento provoca efectos que inducen un mayor calentamiento hablamos de "retroalimentación positiva", cuando en cambio los efectos producen enfriamiento hablamos de "retroalimentación negativa". La principal retroalimentación positiva en el sistema climático incluye el vapor de agua , mientras que la principal retroalimentación negativa está constituida por el efecto de la temperatura sobre la emisión de radiación infrarroja : a medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, la radiación emitida aumenta en proporción a la cuarta potencia de su temperatura absoluta ( ley de Stefan-Boltzmann ). Este efecto proporciona una poderosa retroalimentación negativa que tiende a estabilizar el sistema climático con el tiempo.

Por otro lado, uno de los efectos de retroalimentación positiva está relacionado con la evaporación del agua. Si la atmósfera se calienta, la presión de saturación del vapor aumenta y con ella aumenta la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Al ser el principal gas de efecto invernadero , su incremento hace que la atmósfera sea aún más cálida, y en consecuencia una mayor producción de vapor de agua. Este proceso de "bola de nieve" continúa hasta que interviene otro factor para interrumpir la retroalimentación. El resultado es un efecto invernadero mucho mayor que el debido únicamente al CO 2 , aunque la humedad relativa del aire permanece casi constante [2] .

Por otro lado, el derretimiento del hielo en forma de calor latente de fusión sustraído de la atmósfera y la capacidad de los océanos para actuar como sumideros de calor también deben considerarse retroalimentaciones negativas significativas del sistema climático.

Los efectos de retroalimentación de la nube son actualmente un campo de investigación. Vistas desde abajo, las nubes emiten radiación infrarroja hacia la superficie, ejerciendo un efecto de calentamiento; vistas desde arriba, las nubes reflejan la luz del sol y emiten radiación al espacio, con el efecto contrario. La combinación de estos efectos da como resultado un enfriamiento o calentamiento neto según el tipo y la altura de las nubes. Estas características son difíciles de incluir en los modelos climáticos, en parte debido a su pequeña extensión en los modelos de simulación [2] , y constituyen las parametrizaciones del modelo. Un ejemplo en este campo es la hipótesis del Iris , formulada en 2001 por el científico Richard Lindzen . [3]

Un efecto más sutil son los cambios en el gradiente adiabático a medida que la atmósfera se calienta. La temperatura atmosférica disminuye al aumentar la altura en la troposfera . Dado que la emisión de radiación infrarroja está relacionada con la cuarta potencia del valor de la temperatura, la radiación emitida desde la atmósfera superior es menor que la emitida desde la atmósfera inferior. La mayor parte de la radiación emitida desde la atmósfera superior se irradia al espacio, mientras que la de la atmósfera inferior es reabsorbida por la superficie o la atmósfera. Por tanto, la intensidad del efecto invernadero depende de cuánto descienda la temperatura con la altura: si es más alta, el efecto invernadero será más intenso, mientras que si es más baja, el efecto será más débil. Estas mediciones son muy sensibles a los errores, lo que dificulta establecer si los modelos climáticos son consistentes o no con las observaciones experimentales [4] .

Otro proceso de retroalimentación importante es el albedo del hielo [5] : cuando la temperatura global aumenta, los hielos polares se derriten a un ritmo mayor. Tanto la superficie emergida como las aguas reflejan menos luz solar que el hielo, por lo que la absorben más. Por esta razón aumenta el calentamiento global, lo que aumenta el derretimiento del hielo y continúa el proceso.

También el aumento/disminución de la cubierta vegetal y más generalmente la modificación de los suelos afectaría al albedo planetario, por tanto como retroalimentación sobre el sistema climático.

El calentamiento también es un desencadenante de la liberación de metano de diversas fuentes en los fondos terrestres y oceánicos. El deshielo del permafrost , como el presente en las turberas congeladas en Siberia , crea una retroalimentación positiva debido a la liberación de dióxido de carbono (CO 2 ) y metano (CH 4 ) [6] . De manera similar, el aumento de la temperatura del océano puede liberar metano de los depósitos profundos de hidrato de metano y clatrato de metano según la hipótesis del clatrato . Estos fenómenos son actualmente objeto de intensas investigaciones.

Con el calentamiento de los océanos también se espera una retroalimentación positiva de la concentración de CO 2 en la atmósfera debido a la disminución de la capacidad de absorción directa de la solubilidad y también por parte de los ecosistemas oceánicos. De hecho, el nivel mesopelágico (situado a una profundidad entre 200 my 1000 m) sufre una reducción en las cantidades de nutrientes que limitan el crecimiento de las diatomeas en favor del desarrollo del fitoplancton . Este último es una bomba biológica de carbono menos potente que las diatomeas [7] .

Finalmente, otra retroalimentación climática muy discutida es la de las corrientes oceánicas: el derretimiento de los hielos polares debido al calentamiento global conduciría a una alteración de la circulación termohalina y una consecuente alteración del llamado Cinturón Transportador Oceánico , en particular del norte superficial. -Ramo atlántico o Corriente del Golfo , con un efecto de enfriamiento en el hemisferio norte, en particular en el continente europeo, contrastando, anulando o incluso invirtiendo la tendencia al calentamiento de las últimas décadas.

Notas

  1. ^ La retroalimentación negativa no siempre conduce a la estabilidad. Por ejemplo, considerando un sistema SISO lineal estacionario con polos -10 -20 y -30, con retroalimentación de la salida sobre la entrada con una constante de amplificación K menor que cero y del método del lugar geométrico de las raíces se puede ver que en valores de K alto en módulo corresponden a dos polos complejos aparte de la parte positiva real, por lo que el sistema de realimentación será inestable en este caso.
  2. ^ a b Brian J. Soden, Held, Isacc M., Una evaluación de las reacciones climáticas en modelos acoplados océano-atmósfera ( PDF ), en Journal of Climate , vol. 19, núm. 14, 1 de noviembre de 2005. Consultado el 21 de abril de 2007 .
  3. ^ RS Lindzen , M.-D. Chou, AY Hou, ¿Tiene la Tierra un iris infrarrojo adaptativo? ( PDF ), en Bol. Amer. Reunió. Soc. , vol. 82, núm. 3, 2001, págs. 417-432, DOI : 10.1175 / 1520-0477 (2001) 082 <0417: DTEHAA> 2.3.CO;2 . Consultado el 24 de enero de 2014 (archivado desde el original el 3 de marzo de 2016) .
  4. ^ Panel sobre comentarios sobre el cambio climático, Comité de investigación climática, Consejo nacional de investigación, Comprensión de los comentarios sobre el cambio climático , The National Academies Press, 2003, p. 166, ISBN  978-0-309-09072-8 .
  5. ^ Thomas F. Stocker et al. , 7.5.2 Hielo marino , en Cambio climático 2001: la base científica. Contribución del Grupo de Trabajo I al Tercer Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático , Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático , 20 de enero de 2001. Acceso a la URL el 11 de febrero de 2007 (archivado desde el original el 5 de febrero de 2007) .
  6. ^ Ian Sample, Warming Hits 'Tipping Point', en guardian.co.uk , The Guardian, 11 de agosto de 2005. Consultado el 18 de enero de 2007 .
  7. ^ Ken O. Buesseler et al. , Revisiting Carbon Flux Through the Ocean's Twilight Zone , en Science , vol. 316, núm. 5824, 27 de abril de 2007, págs. 567-570, DOI : 10.1126/ciencia.1137959 , PMID  17463282 . Consultado el 16 de noviembre de 2007 .

Bibliografía

Artículos relacionados

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