Intern modell (motorstyrning)
Inom ämnesområdet kontrollteori är en intern modell en process som simulerar systemets respons för att uppskatta resultatet av en systemstörning. Den interna modellprincipen artikulerades första gången 1976 av BA Francis och WM Wonham som en explicit formulering av Conant och Ashbys goda regulatorsats . Det står i kontrast till klassisk styrning, genom att den klassiska återkopplingsslingan misslyckas med att explicit modellera det kontrollerade systemet (även om den klassiska styrenheten kan innehålla en implicit modell).
Den interna modellteorin för motorstyrning hävdar att motorsystemet styrs av de ständiga interaktionerna mellan "anläggningen" och " regulatorn ." Anläggningen är den kroppsdel som kontrolleras, medan den interna modellen i sig anses vara en del av regulatorn. Information från regulatorn, såsom information från centrala nervsystemet (CNS) , feedbackinformation och efferenskopian skickas till anläggningen som rör sig därefter.
Interna modeller kan styras genom antingen feed-forward eller feedback kontroll. Framkopplingsstyrning beräknar dess inmatning i ett system genom att endast använda det aktuella tillståndet och dess modell av systemet. Den använder inte feedback, så den kan inte korrigera för fel i dess kontroll. Vid återkopplingsstyrning kan en del av systemets utdata matas tillbaka till systemets ingång och systemet kan då göra justeringar eller kompensera för fel från sin önskade uteffekt. Två primära typer av interna modeller har föreslagits: framåtmodeller och inversa modeller. I simuleringar kan modeller kombineras för att lösa mer komplexa rörelseuppgifter.
Framåt modeller
I sin enklaste form tar framåtmodeller inmatningen av ett motorkommando till "anläggningen" och matar ut en förutspådd position för kroppen.
Motorkommandotinmatningen till den framåtriktade modellen kan vara en efferenskopia, som ses i figur 1. Utsignalen från den framåtmodellen, den förutsagda kroppens position, jämförs sedan med kroppens faktiska position. Kroppens faktiska och förutsedda position kan skilja sig åt på grund av buller som introduceras i systemet av antingen interna (t.ex. kroppssensorer är inte perfekta, sensoriskt brus) eller externa (t.ex. oförutsägbara krafter från utsidan av kroppen) källor. Om de faktiska och förutsedda kroppspositionerna skiljer sig åt kan skillnaden återkopplas som en ingång till hela systemet igen så att en justerad uppsättning motorkommandon kan bildas för att skapa en mer exakt rörelse.
Omvända modeller
Omvända modeller använder kroppens önskade och faktiska position som indata för att uppskatta de nödvändiga motorkommandona som skulle omvandla den aktuella positionen till den önskade. Till exempel, i en arm att nå uppgift, matas den önskade positionen (eller en bana av på varandra följande positioner) av armen in i den postulerade omvända modellen, och den omvända modellen genererar de motorkommandon som behövs för att styra armen och föra den till den önskade konfiguration (Figur 2). Omvända interna modeller står också i nära anslutning till den okontrollerade manifoldhypotesen (UCM) , se även här .
Kombinerade framåt- och inversmodeller
Teoretiskt arbete har visat att i modeller av motorstyrning, när inversmodeller används i kombination med en framåtmodell, kan efferenskopian av motorkommandot från den inversa modellen användas som en ingång till en framåtmodell för ytterligare förutsägelser. Till exempel, om handen, förutom att sträcka sig med armen, måste styras för att gripa ett föremål, kan en efferenskopia av armmotorkommandot matas in i en framåtmodell för att uppskatta armens förutsagda bana. Med denna information kan styrenheten sedan generera lämpligt motorkommando som säger åt handen att ta tag i föremålet. Det har föreslagits att om de existerar, skulle denna kombination av inversa och framåtgående modeller tillåta CNS att vidta en önskad åtgärd (nå med armen), noggrant kontrollera räckvidden och sedan noggrant kontrollera handen för att greppa ett föremål.
Adaptiv kontrollteori
Med antagandet att nya modeller kan förvärvas och redan existerande modeller kan uppdateras, är efference-kopian viktig för den adaptiva kontrollen av en rörelseuppgift. Under hela varaktigheten av en motoruppgift matas en efferenskopia in i en framåtmodell känd som en dynamikprediktor vars utsignal tillåter förutsägelse av motorns uteffekt. När man tillämpar adaptiva styrteoretiska tekniker för motorstyrning, används efferenskopia i indirekta styrscheman som input till referensmodellen.
Forskare
Ett brett spektrum av forskare bidrar till framsteg på hypotesen om den interna modellen. Michael I. Jordan , Emanuel Todorov och Daniel Wolpert bidrog väsentligt till den matematiska formaliseringen. Sandro Mussa-Ivaldi , Mitsuo Kawato, Claude Ghez, Reza Shadmehr , Randy Flanagan och Konrad Kording bidrog med många beteendeexperiment. DIVA -modellen för talproduktion utvecklad av Frank H. Guenther och kollegor använder kombinerade framåt- och inversmodeller för att producera hörselbanor med simulerade talartikulatorer. Två intressanta omvända interna modeller för styrning av talproduktion utvecklades av Iaroslav Blagouchine & Eric Moreau. Båda modellerna kombinerar de optimala principerna och jämviktspunktshypotesen (motoriska kommandon λ tas som koordinater för det inre rummet). Ingångsmotorkommandot λ hittas genom att minimera längden på vägen som färdats i det inre utrymmet, antingen under den akustiska begränsningen (den första modellen), eller under de både akustiska och mekaniska begränsningarna (den andra modellen). Den akustiska begränsningen är relaterad till kvaliteten på det producerade talet (mätt i form av formanter ), medan den mekaniska är relaterad till styvheten i tungans kropp. Den första modellen, där styvheten förblir okontrollerad, överensstämmer med standard UCM-hypotesen . Däremot visar den andra optimala interna modellen, där styvheten föreskrivs, den goda variabiliteten av tal (åtminstone inom rimligt styvhetsintervall) och överensstämmer med de nyare versionerna av den okontrollerade manifoldhypotesen (UCM ) . Det finns också en rik klinisk litteratur om interna modeller inklusive arbete från John Krakauer , Pietro Mazzoni, Maurice A. Smith, Kurt Thoroughman , Joern Diedrichsen och Amy Bastian .