Los sistemas de control desde la perspectiva de un físico

Estoy muy interesado en el estudio de la teoría de los sistemas de control . Sin embargo, parece que casi todos los libros están escritos por ingenieros electrónicos o mecánicos.

Debido a esto, generalmente omiten muchas cosas. Por ejemplo, todos los libros de texto sobre controles explican el motor de CC, los modelos de espacio de estado del circuito RC. Sin embargo, todavía tengo que ver un libro que diga algo como,

Bucles de retroalimentación en la naturaleza: cuando se conduce un automóvil, la resistencia del aire es proporcional a la velocidad y constituye una retroalimentación 'natural' sin amplificadores operacionales ni sensores, etc.

y bucles de retroalimentación en el clima

https://www.theguardian.com/environment/2011/jan/05/climate-change-feedback-loops

si alguien sabe de un libro que aborde estos temas, ¡sería genial!

Los bucles de retroalimentación negativa que está describiendo son "bucle abierto" y son una consecuencia de la física involucrada. ¿Está interesado en tales "bucles abiertos", o está interesado en un proceso que tenga algún tipo de controlador electrónico?
Los que usted se refirió como 'bucles abiertos'...
Quizás para ayudar a delinear, existe la teoría de los sistemas de control donde la intención es controlar un sistema (generalmente por un ingeniero, diseñador) utilizando la teoría de la retroalimentación . Creo que está interesado en la teoría de la retroalimentación que, como mencionó, no se limita al ámbito de los sistemas de ingeniería, sino que también los comprende, analiza y modela. Desafortunadamente, los libros de texto probablemente no te darán lo que quieres. Pero si investiga artículos publicados, puede hacerlo.
@DavidWhite, la madre naturaleza a veces cierra su propio ciclo, y se pueden escribir modelos lineales para ilustrar los ejemplos de OP que, de hecho, son sistemas de ciclo cerrado. No se requieren sensores. Por supuesto, aunque necesita al menos un aporte de energía inicial. La caída libre en una atmósfera planetaria es un sistema de retroalimentación que se aproxima al equilibrio de la velocidad terminal. Una caída libre comienza con energía potencial inicial en alguna posición inicial y finalmente alcanza una velocidad constante con algo de energía cinética. Hasta que toques el suelo.
@docscience, en realidad realicé el control de procesos en la industria, y los comentarios involucrados fueron algo diferentes de los que pregunta el OP. Para los sistemas físicos, la mayoría de ellos tienen retroalimentación negativa y, por lo tanto, son estables. La notable excepción son los reactores exotérmicos... la velocidad de reacción se duplica aproximadamente por cada aumento de temperatura de 10 °C, lo que supera rápidamente la capacidad de eliminar el calor del sistema. En algún momento, estos sistemas "se escapan" debido a su retroalimentación positiva.
@CodeStar, la teoría de los sistemas de control que encontrará en los libros de texto no responde la pregunta que está haciendo. Además, los sistemas físicos normalmente se describen de una manera que no implica los conceptos usuales involucrados en la teoría de control. Descubrirá que puede adaptar la teoría de control que se encuentra en los libros de texto a la mayoría de los procesos físicos, pero definitivamente le llevará un tiempo obtener una comprensión intuitiva de la teoría de control que se encuentra en los libros de texto.
lea esto, está muy bien escrito: Bechhoefer: "Feedback for physicists: A tutorial essay on control", REVIEWS OF MODERN Physics, VOLUME 77, JULIO 2005, pp783-836
No puedo recomendar un libro, pero puedo recomendar una fantástica lista de reproducción de YouTube de Brian Douglas.
@hyportnex Le solicito que escriba este artículo de revisión en la sección de respuestas porque este artículo se ajusta a la solicitud de operación (no se detenga mucho en el sistema habitual que se encuentra en los libros de control para ingenieros, incluso proporciona algunos ejemplos relevantes para los físicos y discute cosas que son generalmente no se proporciona en los libros de control introductorios)
@aitfel, ese artículo de Bechhoefer es un libro pequeño, tiene 54 páginas impresas con fuerza en fuente 10. Seguramente no puedo escribir un resumen de ese trabajo que se ajuste a las costumbres de esta plataforma. Si el OP tuviera una pregunta técnica específica que podría responder. De su comentario parece que lo ha leído y tal vez pueda escribir un buen resumen. Si es así, ¡adelante, es tu turno!

Respuestas (3)

Aquí hay un libro (gratuito) que puede estar buscando:
Sistemas de retroalimentación: una introducción para científicos e ingenieros por Karl J. Åström y Richard M. Murray

De su prefacio cito:

Este libro proporciona una introducción a los principios y herramientas básicos para el diseño y análisis de sistemas de retroalimentación. Está destinado a servir a una audiencia diversa de científicos e ingenieros interesados ​​en comprender y utilizar la retroalimentación en sistemas físicos, biológicos, de información y sociales. Hemos intentado mantener los prerrequisitos matemáticos al mínimo teniendo cuidado de no sacrificar el rigor en el proceso. También hemos intentado hacer uso de ejemplos de una variedad de disciplinas, ilustrando la generalidad de muchas de las herramientas y al mismo tiempo mostrando cómo se pueden aplicar en dominios de aplicación específicos.

Bueno, hay sistemas de control construidos para dispositivos físicos que necesitan ser controlados. Por ejemplo, controlar un avión o un misil requiere bucles de control, donde las fuerzas con las que uno está tratando son efectos físicos reales (p. ej., el flujo de aire que pasa por el avión, en cada superficie de control). Recuerdo haber hecho algo de teoría de control para la actitud de los satélites y el control de la órbita. Haz aerodinámica y encontrarás muchos bucles físicos. Busque libros o documentos de control de aeronaves y los encontrará. Y, de hecho, generalizar esto se aplica a cualquier cosa que se mueva (por ejemplo, la robótica o el ejemplo de su automóvil). Yendo más allá, se aplica a cualquier sistema físico que está cambiando.

El problema es que la mayoría de los libros de teoría de control generalizan la teoría, por lo que debe poder encontrar las expresiones matemáticas para sus interacciones físicas. En cualquier caso, normalmente se implementa electrónicamente (abstrayendo los circuitos de control para controlar, por ejemplo, las superficies de control de las aeronaves). La teoría del control en profundidad se desarrolló para ese tipo de aplicaciones.

No traté de encontrar las referencias, pero quería ubicar su pregunta y una posible forma de buscar en un contexto más amplio.

Física no lineal
Un área de la física que estudia los sistemas de control es la teoría no lineal... aunque algunos pueden tratarla como una rama de las matemáticas. Los libros de texto de física sobre teoría no lineal suelen estar llenos de ejemplos de sistemas con retroalimentación, desde varios tipos de generadores y amplificadores hasta ecuaciones no lineales (p. ej., Korteweg-de Vries) para ondas en líquidos y ecuaciones que describen la formación de patrones ( como la ecuación de Swift-Hoheberg , con aplicaciones en nubes y QFT por igual).

Generadores
He mencionado amplificadores y generadores: estas son las áreas donde la retroalimentación se diseña y estudia explícitamente. Esto va desde los motores simples hasta los circuitos utilizados en la comunicación por radio (donde la ecuación de Vand-der-Pol es el modelo por excelencia) y los generadores cuánticos, como los láseres y másers.

Teoría de la decisión
Otra perspectiva muy matemática sobre los sistemas de control es desde el punto de vista de la estadística. Los textos serios que tratan sobre la prueba de hipótesis y las estadísticas bayesianas son esencialmente términos físicos para la teoría del control.

Resumen

  • La retroalimentación es tan omnipresente en la física que es probable que se trate en un libro separado: uno debe buscar problemas apropiados en un dominio específico o abordar los textos que son más matemáticos pero menos específicos sobre aplicaciones.
  • La teoría de control a menudo pasa a la física con diferentes nombres y con diferente terminología (p. ej., física no lineal/teoría de oscilaciones, teoría de decisiones/estadística).
Los sistemas de control desde la perspectiva de un físico
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