In gesprek met morgen: Lessen voor de eenentwintigste eeuw

Online monitoring vanlevende organismen

Online monitoring van levende organismen Van intensive care tot wielrennen en formule 1 Daniel Berckmans enkele InleIdende BeGrIPPen Om tot de boeiende toepassingen te komen die het object vormen van deze bijdrage moeten we ons eerst door de definitie van enkele noodzakelijke begrippen worstelen om achteraf het geheel te begrijpen. Het zijn slechts enkele vrij abstracte definities, maar ze maken het veel interessanter om te begrijpen wat volgt. Systeem, proces, procesbeheersing Een systeem is in de wetenschap datgene waarop een wetenschapper zijn aandacht richt. Het gaat om een geheel van componenten of elementen, dat geïsoleerd van zijn omgeving kan worden beschouwd. Een vlieg bijvoorbeeld kunnen we beschouwen als een systeem. Door de relaties tussen de elementen is er een mate van samenhang, ordening en complexiteit in het systeem. Tussen de omgeving en het systeem kunnen we een systeemgrens definiëren. Van het systeem zelf nemen we aan dat het allerlei systeemeigenschappen heeft. Een systeem kan bijvoorbeeld gesloten zijn of open. Gesloten systemen staan niet voortdurend bloot aan veranderingen 194 daniel berckmans in de omgeving, waar ze ook geen directe greep op hebben. Open systemen echter worden beïnvloed door hun omgeving en reageren op impulsen van buitenaf. Een open systeem kan materie en energie met zijn omgeving uitwisselen . Zo is een auto bijvoorbeeld een open systeem: die wisselt materie en energie uit met zijn omgeving (door onder meer brandstofinvoer, uitlaatgassen , warmteverliezen). Ook de vlieg is een open systeem. Ze neemt water, voedsel en lucht op en via uitwerpselen en warmte-uitwisseling interageert ze met de omgeving. Een proces is een serie opeenvolgende gebeurtenissen van een systeem. De regeltechniek bestudeert het dynamische gedrag van een systeem in de tijd. De praktische toepassing van regeltheorie beoogt vooral een betere procesbeheersing. Een simpel stukje regeltechniek dat iedereen kent, is de verwarmingsthermostaat in de huiskamer. De thermostaat meet de kamertemperatuur, en als deze lager is dan de ingestelde waarde, wordt de verwarming ingeschakeld. Als de gemeten temperatuur hoger is, wordt de verwarming weer uitgeschakeld. Dit is een zeer eenvoudige zogenaamde aan-uitregeling. In de systeemanalyse wordt het dynamische gedrag van dergelijk systeem bestudeerd aan de hand van verschillende systeemvariabelen . Zo zijn er systeemingangen: variabelen waarmee het dynamische gedrag van een bepaald systeem actief kan gestuurd worden omdat ze een belangrijk effect hebben op het beschouwde systeem en omdat wij zelf de waarde ervan kunnen bepalen. De warmtetoevoer in de huiskamer is bijvoorbeeld een systeemingang in het voorbeeld van de kamerthermostaat. Er zijn ook systeemuitgangen: de variabele(n) die we willen sturen. In ons voorbeeld is dat de kamertemperatuur. Ten slotte zijn er ook stoorvariabelen : variabelen die een invloed hebben op het systeem maar die we zelf niet kunnen bepalen, zoals de wisselende buitentemperatuur en zonnestraling die de kamertemperatuur verstoren. In de loop der tijd werden in de regeltheorie meer ingenieuze regelsystemen ontwikkeld dan de bovenvermelde simpele aan-uitregeling en dit voor de procesbeheersing van meer ingewikkelde processen. Dit gebeurde eerst in militaire systemen zoals de 3d-trajectsturing van afweerraketten of de positionering van satellieten. Vandaag zijn dergelijke gesofisticeerde regelsystemen ook in ons dagelijks leven nuttig geworden zonder dat we het beseffen, bijvoorbeeld in moderne automatische versnellingsbakken van auto’s die energiebesparend en minder vervuilend zijn of de adaptieve regeling van richting en toerental bij windmolens in functie van de windomstandigheden . In zowat alle moderne elektronische systemen zoals bijvoorbeeld in cd-spelers, audio-installaties en allerhande huishoudtoestellen zitten dergelijke regelingen. online monitoring van levende organismen 195 Wat is het geheim achter een efficiënte procesbeheersing? Wat is er nodig om processen in het algemeen efficiënt te sturen? Nemen we een proces dat ieder van ons ook goed kent: het besturen van een auto (Figuur 1). De procesuitgang die we willen sturen, is de rijrichting van de wagen. Eén der belangrijkste procesingangen is de positie van het stuurwiel (naast bijvoorbeeld de stand van de gaspedaal en de rempedaal). Belangrijke stoorvariabelen zijn: staat van het wegdek (droog of glad wegdek ), windsnelheid en richting, naast vele andere stoorvariabelen (staat van banden en schokdempers, belading van de wagen, enzovoort). desired direction 1 3 measure Position steering wheel measure Direction prediction 2 Process model-based controller feedback Figuur 1: Algemeen schema van een modelgebaseerde sturing van een auto Het eerste dat we als bestuurder doen is de te regelen procesuitgang – in dit geval de rijrichting – voortdurend ‘meten’ door visuele waarneming. Dit continu meten van een variabele noemen we ‘monitoren’. Vervolgens gaan we deze actueel gemeten...