Tilapalautekytkennän

Tilapalautekytkennän on suljetun silmukan kontrollijärjestelmän menetelmä, jossa järjestelmän tila x syötetään takaisin säätölogiikkaan. Tilapalautteen avulla voidaan saavuttaa nopeampi ja tarkempi vaste sekä parempi häiriötorjunta verrattuna pelkkään lähtöarvoon perustuvaan ohjaukseen. Tilapalautekytkentää käytetään, kun tila on mitattavissa tai riittävästi estimoitavissa.

Matemaan kautta tilapalautekytkentä kuvataan usein lineaarisena järjestelmänä: dx/dt = Ax + Bu, y = Cx + Du. Täydellä tilapalautteella säätöarvo on u = -Kx, jolloin suljetun silmukan dynamiikka on ẋ = (A - BK)x + Br (riippuen syötöistä). Diskreetissä ajassa vastaava muoto on x_{k+1} = (A - BK)x_k + Br_k. K:n valinta määrittää suljetun silmukan napareferenssit ja voidaan toteuttaa esimerkiksi polkihallin (pole placement) tai optimoivien menetelmien, kuten LQR:n, kautta.

Käytännössä tilapalautekytkentä vaatii tilan mittaamisen tai luotettavan tilan estimoinnin. Jos täydellistä tilaa ei voida mitata suoraan, käytetään havaintoa (observer) - esimerkiksi Luenberger-observaattori tai Kalman-suodatin - tilan estimointiin ja sen perusteella u = -Kx̂ ratkaistaan estimoidusta tilasta x̂. Tällöin järjestelmän ohjaus hyödyntää sekä mittaustietoa että mallipohjaista ennustetta.

Sovelluksia ovat robotiikka, ajoneuvojen dynaaminen ohjaus, prosessinhallinta sekä monimutkaisten teknisten järjestelmien nopea ja luotettava vakauden parantaminen. Hyödyt sisältävät järjestelmän parempi vaste ja robustisuus, mutta vaatimus tarkasta mallista sekä tilan mittauksesta tai luotettavasta estimoinnista voivat olla rajoittavia tekijöitä.