¿Es la teoría de control parte de la teoría de sistemas dinámicos?

Esta es una pregunta engañosamente difícil, y con la que he estado tratando de lidiar durante los últimos meses. ¡La respuesta corta sería NO! Para comprender las diferencias, primero debemos proporcionar una definición para ambos campos aceptables para la mayoría de los investigadores.

La teoría de sistemas dinámicos es muy madura y tiene una definición bien establecida. Wiki:

La teoría de sistemas dinámicos es un área matemática utilizada para describir el comportamiento de sistemas dinámicos complejos, generalmente mediante el uso de ecuaciones diferenciales o ecuaciones diferenciales.

Por otro lado, la teoría del control es comparativamente un campo muy joven y en rápida evolución. Tiene muchas dimensiones, enfoques y conexiones con otros campos. Wiki tiene esto que decir:

La teoría del control es una rama interdisciplinaria de la ingeniería y las matemáticas que se ocupa del comportamiento de los sistemas dinámicos con entradas, y de cómo su comportamiento es modificado por la retroalimentación.

Desafortunadamente, esta definición resuena más con la teoría de control clásica en comparación con muchos enfoques modernos que adoptan una postura dramáticamente diferente. Por ejemplo, la definición anterior no tiene una noción de rendimiento. En resumen, debemos responder a la pregunta: ¿es la teoría de control sobre el análisis (esta ley de control estabilizará el sistema) o es síntesis (desarrollar algoritmos que producirían el mejor rendimiento de control)?

La teoría de sistemas dinámicos es puramente una disciplina de análisis . Las diferentes entidades o estados se unen a través de algunas reglas que rigen su evolución temporal, y simplemente describimos su comportamiento. En otras palabras, adoptamos un enfoque de observador externo y no debemos (o no) influir en la evolución del tiempo. Yo llamaría a este enfoque pasivo. Por otro lado, el control está claramente activo ya que influimos en el sistema. Tenga en cuenta que una vez que seleccionamos la ley de control, el sistema ya no está activo y se vuelve pasivo. Así, las herramientas de la teoría de sistemas dinámicos se utilizaron para analizar el comportamiento de los sistemas de circuito cerrado y, por lo tanto, las conexiones entre el control clásico y la teoría de sistemas dinámicos.

Sin embargo, diría que el control moderno es bastante diferente en la perspectiva. Con el advenimiento de las computadoras, la pregunta central no es si este controlador estabilizará el sistema, sino cómo encuentro el mejor controlador. Esto ha convertido el control en una disciplina algorítmica y, por lo tanto, debería ser parte de la informática. Aún así, la gente usa algunas ideas de sistemas dinámicos para demostrar la estabilidad, pero no es más que un control de cordura. Además, en muchos subcampos relacionados con el aprendizaje por refuerzo, el control predictivo del modelo, las redes, etc., a las personas realmente no les importa mucho la estabilidad, o la configuración del problema naturalmente hace que las buenas soluciones sean estables (por ejemplo, LQG). En estas áreas, hay poca superposición con la teoría de sistemas dinámicos. Diría que la sinergia actual es entre optimización, procesos estocásticos, aprendizaje y control.

De hecho, el éxito de la teoría de control en los últimos años (robótica, control de múltiples agentes, acrobacia de helicópteros, etc.) se puede atribuir a romper con una perspectiva de sistemas dinámicos basada en la física, hacia un enfoque algorítmico asociado con CS, estadísticas y matemáticas.

Esta es una pregunta interesante. No tengo una respuesta sí / no.

La teoría de sistemas dinámicos se preocupa en gran medida por la evolución de algún estado basado en las ecuaciones de movimiento. La evolución se obtiene como resultado de una ‘solución’ a un ‘problema de valor inicial’. Si las ecuaciones de movimiento son fijas, entonces es solo un sistema dinámico sujeto a la teoría de los sistemas dinámicos habituales. Para los sistemas con una entrada de control, el negocio del sujeto de la teoría del control es elegir una entrada de control para que el sistema resultante se convierta en un nuevo sistema dinámico sin una entrada, pero cuando hacemos el negocio normal de sistemas dinámicos obtenemos las soluciones que queremos. Por ejemplo, soluciones estables, o convergencia a estados especiales, etc. Con esta comprensión, parece que la teoría de control es un subconjunto de la teoría de sistemas dinámicos.

Por otro lado, los teóricos del control pueden hacer algunas preguntas adicionales, como elegir soluciones que optimicen un determinado objetivo. Creo que la necesidad de optimizar las cosas extrae los problemas de la teoría del control fuera de las cosas habituales de las que se preocupa un teórico de sistemas dinámicos. En este sentido, no creo que la teoría de control sea un subconjunto de la teoría de sistemas dinámicos. Es posible que alguien con un conocimiento tecnológico más profundo pueda decir que, en un sentido mucho más abstracto, incluso los problemas de control óptimo son problemas de teoría de sistemas dinámicos, pero no lo veo y no lo espero por ahora.

Hay otras cosas como la teoría del control geométrico que también están fuera del alcance de las cosas por las que los teóricos de los sistemas dinámicos podrían estar preocupados. Gran parte de este tema se preocupa por los aspectos topológicos del espacio en el que uno se está moviendo, y trata el desorden que el espacio topológico podría arrojar en el cálculo práctico de las leyes de control. No diría que es un problema de sistemas dinámicos.

Otra cosa que preocupa a los teóricos del control es la capacidad de estimar parámetros o estados del sistema mediante mediciones. Claro, los estimadores y los métodos de identificación del sistema a menudo se reducen a agregar estados adicionales al sistema dinámico de la planta, pero existe esta interesante pregunta de qué se puede o no hacer en función de lo que se mide. La teoría de sistemas dinámicos realmente no se preocupa por la función de medición de un estado.

Entonces, en conclusión, la teoría de control se basa en gran medida en la teoría de sistemas dinámicos, y de hecho los problemas de control a veces han conducido a resultados en la teoría de sistemas dinámicos. El primero no es un subconjunto completo del segundo, en mi opinión. Hay problemas de control que se basan completamente en DST, y si te enfocas en esos problemas, supongo que la teoría de control parece un subconjunto de la teoría de sistemas dinámicos.

Al final, ¿por qué importa? Los problemas permanecen igual sin importar cómo los clasifique.

Yo diría que sí. ¿Por qué? Porque dos de los conceptos más importantes en la teoría del control del espacio de estado son la observabilidad y la capacidad de control.

Estas son propiedades sobre las posibles trayectorias de los sistemas dinámicos con ciertas condiciones iniciales y funciones de conducción.

Realmente no hay necesidad de pensar en términos de controlar un sistema físico. La controlabilidad (o la falta de ella) es una propiedad matemática intrínseca de las ecuaciones diferenciales acopladas valoradas en vectores. Esta propiedad puede explotarse para caracterizar el conjunto de soluciones. Puede elegir hacer esto por cualquiera de una variedad de razones teóricas o prácticas.

Esto es similar al teorema de capacidad del canal teórico de información de Shannon. Se ha utilizado para explorar las propiedades topológicas del espacio n dimensional no relacionado con el diseño de artefactos de tecnología de la información. Esto realmente sucede en matemáticas todo el tiempo, aunque a veces ciertos tipos de matemáticas arrogantes (la minoría en la que confío) niegan la motivación del mundo real que a menudo es la fuente de las nuevas matemáticas.

Las ecuaciones diferenciales parciales no solo se le ocurrieron a un matemático puro mientras miraban una pizarra en blanco. A los físicos se les ocurrió la idea. La física termodinámica dio origen a la teoría del proceso estocástico. En las últimas décadas, la investigación de ingeniería y operaciones ha generado nuevas matemáticas tanto como la física.

La dinámica del sistema y la teoría del control son dos áreas diferentes, pero van de la mano. En la dinámica de sistemas, los sistemas físicos se modelan matemáticamente utilizando una ley física que gobierna el comportamiento dinámico del sistema, pero en la ingeniería de control, un modelo matemático determinado se analiza utilizando herramientas matemáticas y gráficas. En ing. De control, no necesitamos preocuparnos por la forma en que se derivó el modelo, solo analizarlo en cuanto a rendimiento y estabilidad y diseñar controladores / compensadores para el modelo matemático dado.

En general, lo único que es común entre la dinámica del sistema y la teoría del control es la matemática.

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