I min forskningskarriere har jeg arbejdet med reguleringsteori inden for næsten samtlige industrielle sektorer:
Vindmøller, motorer, kraftværker, pumper, varmesystemer, kølesystemer, flyvemaskiner, satellitter, robotter, biler og meget andet.
Og så danner det baggrunden for en ny bog om en effektiv metode til vægttab. Det kan du snart læse mere om i en artikel på Videnskab.dk.
Reguleringsteori er nemlig en lille, men utrolig vigtig videnskabelig komponent i stort set al slags teknologi, hvor nogle fysiske størrelser automatisk skal indstille sig på det rigtige niveau.
De færreste ved dog, hvad betegnelsen reguleringsteori egentlig dækker over.
Hvad er reguleringsteori?
Kort fortalt er reguleringsteori teorien om tilbagekoblede systemer.
Opklarede det sagen? Måske ikke helt.
Lad mig uddybe:
Et tilbagekoblet system er et system, hvor du har adgang til nogle målinger, og hvor du kan manipulere forskellige styresignaler til systemet.
Ved at observere, hvad der sker på målingerne, og sammenligne dem med en ønsket værdi, en reference, kan du bringe systemet hen mod den ønskede tilstand.
Ud fra afvigelsen mellem måling og reference kan du styre systemet i den rigtige retning ved at øge eller reducere styresignalerne.
Et reguleringssystem består af et fysisk system, der skal reguleres, og en regulator (se figur). Regulatoren sammenligner løbende en måling med en ønsket værdi, en reference.
Regulatoren skal på den baggrund justere et styresignal, så afvigelsen mellem måling og reference bliver så lille som muligt.
Det var den abstrakte forklaring.
I det følgende vil jeg give nogle eksempler på, hvordan reguleringsteori virker i vores hverdag.
Regulatorer holder dig varm
En meget simpel regulator er de temperaturregulatorer, der sidder i alle danske hjem.
Regulatoren sidder i radiatorens termostat. Når du drejer på termostaten, indstiller du en ønsket temperatur, altså, en reference.
Regulatoren er en mekanisk regulator, der ved hjælp af en lille gaspatron måler temperaturen i rummet.
For at bestemme temperaturen i rummet bruger regulatoren det forhold, at varm luft fylder mere end kold luft.
Bliver gaspatronen varmet op, udvider luften inde i patronen sig, mens luften fylder mindre, når gaspatronen bliver koldere.
Når luften i patronen udvider sig, trykker den ned på en spindel, der påvirker strømmen af varmt vand, der føder radiatoren.
Altså, bliver luften i gaspatronen varmere, påvirker den spindlen, så der automatisk bliver skruet ned for tilførslen af varmt vand til radiatoren med resultatet, at radiatoren og luften i rummet bliver koldere.
Hvis der omvendt er koldt i rummet, bliver gaspatronen afkølet, hvorfor spindlen bliver trukket tilbage, hvilket åbner for vandstrømmen, så radiatoren bliver fyldt med varmt vand. Resultatet er her, at det langsomt bliver varmere i lokalet.
De to effekter gør, at spindlen bliver holdt i en bestemt position – nemlig dér, hvor temperaturen i rummet er lige præcis, som du har indstillet den til at være på termostaten.
For når du drejer på regulatoren, indstiller du gaspatronen, og dermed hvor spindlen ender med at stå, når den ønskede temperatur er opnået.
For et radiatorsystem er målingen altså temperaturen.
Den målte temperatur bliver sammenlignet med en ønsket temperatur, referencen.
Baseret på om afvigelsen er positiv eller negativ, bliver vandtilførslen til radiatoren, styresignalet, skruet op eller ned.
Regulatoren er i dette tilfælde den fysiske mekanisme inden i termostatventilen.
Fartpiloter på landevejene
Kommer du kørende fra en landevej til en by, skal du sænke hastigheden fra 80 km/t til 50 km/t.
Det kan du gøre ved at hæve foden en anelse fra speederen, mens du kigger på speedometeret.
Selv når du har ramt de 50 km/t, er du løbende nødt til at kigge på speedometeret og tilpasse farten med speederfoden, ellers risikerer du at køre for stærkt (eller for langsomt).
Mange nyere biler har installeret en fartpilot, der også er et eksempel på en regulator.
Når du sætter fartpiloten til, tænder du for en lille regulator. Du angiver en ønsket fart, en reference, mens en sensor måler bilens aktuelle fart.
Og her kommer en interessant pointe:
Selv om farten føles helt jævn, er den det aldrig i praksis. Farten ændrer sig hele tiden lille smule op og ned.
Bliver farten for lav, registrerer regulatoren det, hvorefter den åbner for spjældet, så motoren får en større indsprøjtning af brændstof – benzin, diesel, brint eller som i min egen elbil, strøm.
Med større mængde brændstof til rådighed begynder bilen at køre stærkere.
Omvendt, bliver farten for høj, lukker regulatoren for spjældet, så der kommer mindre brændstof ind i motoren, og hastigheden falder.
Sikrer en konstant fart
Fordi bilens sensor konstant overvåger bilens hastighed, kan regulatoren løbende åbne og lukke spjældet.
Kører du ned ad bakke, lukker regulatoren en anelse for spjældet, mens spjældet bliver åbnet lidt mere, når du kører opad.
Resultatet af de to funktioner er, at bilen hele tiden kører præcist med den fart, som du har indstillet den til.
For en bil med fartpilot er målingen altså farten. Referencen er den ønskede fart, du har indstillet.
Baseret på afvigelsen mellem aktuel og ønsket fart indstiller regulatoren styresignalet, som på en benzin-/dieselbil er indsprøjtningen, og på min elbil strømmen til elmotorens viklinger.
Regulering i din krop
Teorien om tilbagekoblede systemer fungerer ikke kun i industriens verden.
Faktisk bruger vores kroppe lige nu, i hvert sekund, tusindvis af reguleringer, så vi kan fungere.
Et eksempel på et af kroppens tilbagekoblede systemer er temperaturreguleringen.
Mennesket er ligesom de øvrige pattedyr ensvarmt. Enzymerne i vores krop er meget temperaturfølsomme, og det er derfor afgørende for mange af kroppens funktioner, at temperaturen holdes næsten konstant på 37°C.
Reguleringen af kropstemperaturen knytter sig især til et center i hjernen, der kaldes hypothalamus.
Hypothalamus modtager signaler fra termoreceptorer, der løbende registrerer både kroppens indre og ydre temperaturer. Inde i hjernen sammenligner hypothalamus de øjeblikkelige temperaturer med den ønskede temperatur på 37°C.
For at gøre dette bruger hypothalamus blandt andet et stort antal ringmuskler i hudens blodkar. Det smarte er, at fordi hypothalamus kan styre ringmusklerne, kan den også styre blodgennemstrømningen i huden.
Når blodgennemstrømningen øges vil varmetabet til omgivelserne vokse. Tilsvarende, vil varmetabet falde, når blodgennemstrømningen reduceres.
Udover at styre blodgennemstrømningen i huden, kan hypothalamus også styre produktionen af sved, der bidrager til afkøling af kroppen ved fordampning fra hudens overflade.
Endelig kan hypothalamus styre en del af kroppens energiproduktion og derved påvirke varmeproduktionen.
\ ForskerZonen
Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.
Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.
Vægttab kan udregnes matematisk
Men der findes også måder, hvor du bevidst og målrettet kan arbejde med reguleringsmatematik i kroppen.
Her tænker jeg på regulering af din kropsvægt.
Om det har jeg, med min datter Anna Lei Stoustrup, der er fysioterapeut, skrevet bogen 'Matematisk vægttab: vej din mad og tab dig – garanti for vægttab'.
Denne metode til at tabe dig kan du snart læse om i en kommende artikel på Videnskab.dk.
