home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / bit / listserv / csgl / 1392 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-11-06  |  9.7 KB

  1. Path: sparky!uunet!stanford.edu!bu.edu!olivea!sgigate!sgiblab!swrinde!zaphod.mps.ohio-state.edu!darwin.sura.net!paladin.american.edu!auvm!VAXF.COLORADO.EDU!POWERS_W
  2. From: POWERS_W%FLC@VAXF.COLORADO.EDU (William T. Powers)
  3. Newsgroups: bit.listserv.csg-l
  4. Subject: Loose control systems
  5. Message-ID: <01GQSMQVBG9U00I2EY@VAXF.COLORADO.EDU>
  6. Date: 5 Nov 92 20:59:58 GMT
  7. Sender: "Control Systems Group Network (CSGnet)" <CSG-L@UIUCVMD.BITNET>
  8. Lines: 171
  9. Comments: Gated by NETNEWS@AUVM.AMERICAN.EDU
  10. X-Envelope-to: CSG-L@vmd.cso.uiuc.edu
  11. X-VMS-To: @CSG
  12. MIME-version: 1.0
  13. Content-transfer-encoding: 7BIT
  14.  
  15.  
  16.  [From Bill Powers (921105.1300)]
  17.  
  18.  Jeff Hunter (921104)--
  19.  
  20.  >Your contention is that "proper" control systems have loop gains of
  21.  >at least -5 (preferably -10 to -100). I believe that this rule-of-
  22.  >thumb of yours may be a result of the specs of the systems you
  23.  >designed. I also believe that this is too constrained a definition
  24.  >to describe the majority of control systems in living organisms.
  25.  
  26.  No, it is a result of the measured parameters of all the control
  27.  systems we have investigated experimentally. Most such systems have
  28.  gains well over -30 and some have measured -200. In visual control
  29.  tasks it is in the thousands -- these control systems seem to use
  30.  integrating outputs, with an effective steady-state gain too high to
  31.  measure accurately. Even the E. coli system has a high loop gain,
  32.  although there is a very large noise component. When a disturbance is
  33.  applied to an E. coli model, its average value is cancelled
  34.  perfectly, implying a very high loop gain. Of course it has a low
  35.  bandwidth; E. coli can't resist disturbances that vary too rapidly.
  36.  
  37.  >A "good" control system keeps its error within a specified distance
  38.  >of zero for a specified percentage of the time for a given class of
  39.  >disturbances.
  40.  
  41.  You're free to set your own criteria, of course, but in my book this
  42.  would be a control system that works only intermittently and has no
  43.  control at all within the "specified distance." In all the examples
  44.  of ordinary behavior that I know about, control is much better than
  45.  my relaxed rule of thumb. Driving a car, balancing a checkbook,
  46.  walking or running, adjusting the contrast on a TV set, baking a
  47.  cake, typing letters, looking at things, singing, riding a bicycle,
  48.  drawing a picture, solving an equation, measuring a length, shopping
  49.  for groceries --- the list is really endless. In all these behaviors,
  50.  perceptions are controlled so closely that their deviations from the
  51.  intended states are at the lower limits of detection, despite
  52.  disturbances of all sorts.
  53.  
  54.  >The control systems you describe generally have a small
  55.  >tolerence for error, quick response time, and make few assumptions
  56.  >about the pattern of disturbances (although they implicitly assume
  57.  >an upper limiton their magnitude).
  58.  
  59.  "Small tolerance" for error" is a strange way of putting it. A
  60.  control system maintains the error as low as it can, given its loop
  61.  gain. The response time is whatever it is -- some systems are slow
  62.  and some are fast. Control systems make no assumptions at all --
  63.  there is no equipment in them for doing that, and anyway they do not
  64.  sense "the pattern of disturbances". Their action is based strictly
  65.  on perceiving the controlled variable itself. They work no
  66.  differently when the disturbance is caused by invisible events, or
  67.  when multiple disturbing effects are present, randomly varying, at
  68.  the same time. If a disturbance that is too large appears, control
  69.  will simply fail: the output will become as large as it can, and if a
  70.  larger output is needed, control is lost.
  71.  >For example the machine you described to etch diffraction
  72.  >gratings (am I remebering this correctly?) must be accurate to
  73.  >within .1 microns, must react in fractions of a second, and
  74.  >probably assumed that earthquakes were rare.
  75.  
  76.  The sensing of the position of the ruling diamond was accurate to
  77.  about 0.01 wavelength of laser light, or about 0.006 microns. The
  78.  machine itself was accurate to about one wavelength, or 0.6 microns.
  79.  A normal disturbance was corrected in about 1/4 second. If an
  80.  earthquake had happened, the system would have been able to resist
  81.  the slow waves but not the fastest ones.
  82.  
  83.  >If the squirrel cannot make assumptions about the pattern
  84.  >of summer and winter days then it must be able to survive
  85.  >indefinitely in winter. I'm not sure what such a squirrel would
  86.  >look like, but it would be big to keep surface heat losses down.
  87.  >(Maybe a mammoth?)
  88.  
  89.  Saying that the squirrel "makes assumptions" about such things is an
  90.  anthropomorphism. If you want to understand how the squirrel works,
  91.  you have to propose a model of the control systems involved. For
  92.  example, in warm weather, the squirrel's metabolism is turned down
  93.  and it needs less food; therefore it gathers less. The reference
  94.  level for amount of food eaten varies, presumably because it is the
  95.  output of a more global control system that monitors a number of
  96.  physiological variables, keeping them near reference levels. When the
  97.  weather begins getting colder, the squirrel's reference-metabolism is
  98.  increased, and it gathers more and more food; the control systems
  99.  actually set the reference level higher than immediately necessary so
  100.  food accumulates. When the weather is cold enough, the attempt to
  101.  maintain body weight and other functions at their reference levels
  102.  begins to fail, and other control systems come into play, preserving
  103.  the life of the organism by reducing the metabolism to reduce the
  104.  rate at which reserves are used. This leads to the state of
  105.  hibernation.
  106.  
  107.  There are many control systems involved in the overall behavior of a
  108.  squirrel. They are probably all "good" control systems, in my terms.
  109.  Out of their operation come the superficially-observable actions that
  110.  we classify as foraging, food-storing, putting on fat, hibernating,
  111.  and so forth. What we see are only symptoms of the actual control
  112.  processes and the interactions among control systems.
  113.  
  114.  >In reality species (through evolution) have a long history of the
  115.  >climate. Squirrels "know" that they can expect the winter to end
  116.  >(and have a fair estimate of how long winters are).
  117.  
  118.  I doubt very much whether any such knowledge resides in a squirrel.
  119.  Squirrels have evolved to the point where the actions of their
  120.  control systems are sufficient for most squirrels to survive most
  121.  winters. There is no need to say that the control systems themselves
  122.  know anything about winter and summer: a season is much too complex a
  123.  concept to be perceived by a squirrel. The squirrel can perceive
  124.  temperature and the state of its own physiology. I think that giving
  125.  it any more sophisticated abilities is unnecessary and fanciful.
  126.  >Many control systems in living organisms make similar
  127.  >assumptions about the pattern of disturbances they will encounter.
  128.  
  129.  This is too metaphorical for me. Control systems don't make
  130.  assumptions about disturbances. They control variables. Where do you
  131.  put the assumption-maker in a control system diagram?
  132.  -----------------------------------------------------------------
  133.  RE: your program.
  134.  
  135.  >The "gain" of the controlled system is (at most) -0.5, and
  136.  >indeed the error is often non-zero. However it keeps the
  137.  >environment within 8 units of zero 93% of the time.
  138.  
  139.  That's a meaningless way of evaluating the control system. With a
  140.  gain of -0.5, the effect of a disturbance on the controlled variable
  141.  would be reduced to 1/(1 + 0.5) or 2/3 of the value it would have had
  142.  with no control at all. So 2/3 of the effect of the disturbance goes
  143.  uncorrected. If that's good enough for some purpose, then there's not
  144.  much point in using any control system at all. You'd only gain 33%
  145.  over a system that just took the effects and suffered them. I know
  146.  you will respond, "But maybe that 33% makes all the difference!" If
  147.  so, OK. But you still don't have a system with much ability to
  148.  control what is happening to it. It's just lucky that control this
  149.  poor suffices. That is not true for most of the variables that
  150.  organisms have to control.
  151.  
  152.  I haven't run your program yet, but have no reason to doubt your
  153.  description of its behavior.
  154.  
  155.  I think you badly underestimate the quality and number of the control
  156.  systems that are actually involved in real behavior. Most variables
  157.  that are of importance to organisms are maintained very accurately at
  158.  their reference levels under all normal conditions. For any organism
  159.  there are conditions that strain the control processes and even
  160.  overwhelm them; when that is the case the organism just suffers the
  161.  consequences. It can do no better than its best. When things get bad
  162.  enough it dies.
  163.  
  164.  You are imagining an environment in which there are only slight
  165.  fluctuations in conditions, so that only a slight capacity for
  166.  control is enough to assure survival, or where the system is pushed
  167.  to its limits, and a small increase in control capacity will have
  168.  critical effects. Such situations might exist. But by focusing on
  169.  them, you ignore the vast array of circumstances in which control
  170.  must be and is precise and quick. You ignore, in fact, all the major
  171.  phenomena of behavior, which your model would be totally incapable of
  172.  reproducing. Phenomena such as the way a squirrel climbs a tree and
  173.  jumps from limb to limb; the way it spots food and finds its way to
  174.  it and picks it up and carries it back to its nest; the way the
  175.  squirrel evades a chasing cat and scolds a pestering bird; the way
  176.  the squirrel simply stands up and walks. By looking at fringe
  177.  phenomena and tiny effects, you are missing all the big obvious
  178.  foreground effects that need explaining and that only control theory
  179.  can explain.
  180.  A loose control system controls loosely. Of course. But organisms
  181.  don't.
  182.  -----------------------------------------------------------------
  183. Best,
  184.  
  185. Bill P.
  186.