Войти
Цикл обратной связи, в котором все выходы процесса доступны как причинные входы для этого процесса Обратная связь возникает, когда выходы системы направляются обратно как входы как часть цепочки из причинно-следственной связи, которая образует цепь или петля. Тогда можно сказать, что система возвращается сама себе. С понятием причинно-следственной связи следует обращаться осторожно при применении к системам обратной связи:
Простое причинно-следственное рассуждение о системе обратной связи затруднено, потому что первая система влияет на вторую, а вторая система влияет на первую, что приводит к круговому аргументу. Это затрудняет рассуждение, основанное на причинно-следственных связях, и необходимо анализировать систему в целом.
— Карл Йохан Острем и Ричард М. Мюррей, Системы обратной связи: Введение для ученых и инженеровСамо- регулировать Механизмы g существуют с древних времен, и идея обратной связи начала входить в экономическую теорию в Британии к 18 веку, но в то время она не была признана универсальной абстракцией и поэтому не имела названия..
Первым известным устройством искусственной обратной связи был поплавковый клапан для поддержания постоянного уровня воды, изобретенный в 270 г. до н.э. в Александрии, Египет.. Это устройство иллюстрирует принцип обратной связи: низкий уровень воды открывает клапан, затем поднимающаяся вода обеспечивает обратную связь в системе, закрывая клапан при достижении необходимого уровня. Затем это повторяется по кругу при колебаниях уровня воды.
Центробежные регуляторы использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах с 17 века. В 1788 году Джеймс Ватт сконструировал свой первый центробежный регулятор по предложению своего делового партнера Мэтью Бултона для использования в паровых двигателях их производства. Ранние паровые двигатели использовали чисто возвратно-поступательное движение и использовались для перекачивания воды - приложение, которое могло допускать колебания рабочей скорости, но использование паровых двигателей для других приложений требовало более точного контроля скорости..
В 1868 Джеймс Клерк Максвелл написал знаменитую статью «О регуляторах», которая широко считается классикой теории управления с обратной связью. Это знаменательная статья по теории управления и математике обратной связи.
Глагольная фраза «откликнуться» в смысле возврата к более раннему положению в механическом процессе использовалась в США к 1860-м годам, а в 1909 году лауреат Нобелевской премии Карл Фердинанд Браун использовали термин «обратная связь» как существительное для обозначения (нежелательной) связи между компонентами электронной схемы.
К концу 1912 года исследователи, использующие первые электронные усилители ( audions ) обнаружили, что преднамеренное присоединение части выходного сигнала обратно к входной цепи повысит усиление (посредством регенерации ), но также заставит аудиторию выть или петь. Это действие обратной связи сигнала с выхода на вход привело к использованию термина «обратная связь» в качестве отдельного слова к 1920 году.
На протяжении многих лет велись споры относительно лучшего определения термина. Обратная связь. Согласно Эшби (1956), математики и теоретики, интересующиеся принципами механизмов обратной связи, предпочитают определение «цикличности действия», которое сохраняет теорию простой и последовательной. Для тех, кто преследует более практические цели, обратная связь должна быть преднамеренным эффектом через более осязаемую связь.
[Практические экспериментаторы] возражают против определения математика, указывая, что это заставит их сказать, что в обычном маятнике присутствует обратная связь... между его положением и его импульсом - «обратная связь», которая с практической точки зрения точки зрения, несколько мистический. На это математик возражает, что если обратную связь следует рассматривать как имеющуюся только тогда, когда есть реальный провод или нерв для ее представления, тогда теория становится хаотичной и пронизанной нерелевантностью.
Сосредоточение внимания на использовании в теории управления, Рамапрасад (1983) определяет обратную связь, как правило, как «... информацию о разнице между фактическим и опорным уровнем системного параметра», которая используется для «некоторого изменения разрыва». Он подчеркивает, что информация сама по себе не является обратной связью, если не преобразована в действие.
Поддержание желаемой производительности системы, несмотря на помехи, с использованием отрицательной обратной связи для уменьшения ошибок системы 
Пример контура отрицательной обратной связи с целями 
Пример контура положительной обратной связи Положительная обратная связь: если сигнал, возвращаемый с выхода, находится в фазе с входным сигналом, обратная связь называется положительной обратной связью.
Отрицательная обратная связь: если возвращаемый сигнал имеет противоположную полярность или не совпадает по фазе на 180 ° по отношению к входному сигналу, обратная связь называется отрицательной обратной связью.
В качестве примера отрицательной обратной связи диаграмма может представлять систему круиз-контроля в автомобиле, например, которая соответствует целевой скорости, такой как ограничение скорости. Управляемая система - это автомобиль; его входной сигнал включает в себя комбинированный крутящий момент двигателя и изменяющийся уклон дороги (возмущение). Скорость (состояние) автомобиля измеряется спидометром . Сигнал ошибки - это отклонение скорости, измеренной спидометром, от целевой скорости (заданного значения). Эта измеренная ошибка интерпретируется контроллером для регулировки акселератора, управляя потоком топлива в двигатель (эффектор). Результирующее изменение крутящего момента двигателя, обратная связь, сочетается с крутящим моментом, создаваемым изменяющимся уклоном дороги, чтобы уменьшить погрешность в скорости, сводя к минимуму возмущение дороги.
Термины «положительный» и «отрицательный» впервые применялись к обратной связи до Второй мировой войны. Идея положительной обратной связи была актуальна уже в 1920-х годах с появлением рекуперативной схемы . Фриис и Дженсен (1924) описали регенерацию в наборе электронных усилителей как случай, когда действие «обратной связи» является положительным, в отличие от действия отрицательной обратной связи, о котором они упоминают лишь вскользь. Гарольд Стивен Блэк <В классической статье 1934 года 302>впервые подробно описывается использование отрицательной обратной связи в электронных усилителях. Согласно Блэку:
Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя, отрицательная обратная связь снижает его.
Согласно Минделлу (2002), вскоре после этого возникла путаница в терминах:
... Фриис и Дженсен провел то же различие, которое Блэк использовал между «положительной обратной связью» и «отрицательной обратной связью», основываясь не на знаке самой обратной связи, а скорее на ее влиянии на коэффициент усиления усилителя. Напротив, Найквист и Боде, когда они опирались на работу Блэка, называли отрицательную обратную связь обратной. Блэку было трудно убедить других в полезности своего изобретения отчасти потому, что существовала путаница по основным вопросам определения.
Еще до применения терминов Джеймс Клерк Максвелл описал несколько видов "движений компонентов" "связанные с центробежными регуляторами, используемыми в паровых двигателях, различая те, которые приводят к постоянному увеличению возмущения или амплитуды колебаний, и те, которые приводят к их уменьшению.
Термины положительная и отрицательная обратная связь определяются по-разному в разных дисциплинах.
Эти два определения могут вызвать путаницу, например, когда используется стимул (вознаграждение) чтобы повысить низкую производительность (сократить разрыв). Ссылаясь на определение 1, некоторые авторы используют альтернативные термины, заменяя положительное / отрицательное на самоусиливающееся / самокорректирующееся, усиливающее / уравновешивающее, усиливающее несоответствие / уменьшающее несоответствие или регенеративное / дегенеративное соответственно. Что касается определения 2, некоторые авторы рекомендуют описывать действие или эффект как положительное / отрицательное подкрепление или наказание, а не как обратную связь. Тем не менее, даже в рамках одной дисциплины пример обратной связи можно назвать положительной или отрицательной, в зависимости от того, как значения измеряются или на которые ссылаются.
Эта путаница может возникнуть, потому что обратная связь может использоваться либо в информационных, либо в мотивационных целях, и часто имеет как качественный, так и количественный компонент. Как говорят Коннеллан и Земке (1993):
Количественная обратная связь говорит нам, сколько и сколько. Качественная обратная связь говорит нам, насколько хорошая, плохая или безразличная.
Хотя простые системы иногда можно описать как один или другой тип, многие системы с петлями обратной связи не так легко обозначить как просто положительный или отрицательный, и это особенно верно, когда присутствует несколько петель.
Когда есть только две части, соединенные так, что каждая влияет на другую, свойства обратной связи дают важную и полезную информацию о свойствах целого. Но когда количество частей увеличивается даже до четырех, если каждая влияет на другие три, то через них можно проследить двадцать контуров; и знание свойств всех двадцати цепей не дает полной информации о системе.
В общем, системы обратной связи могут иметь много сигналов, возвращаемых обратно, и контур обратной связи часто содержит смеси положительная и отрицательная обратная связь, где положительная и отрицательная обратная связь могут доминировать на разных частотах или в разных точках пространства состояний системы.
Термин биполярная обратная связь был придуман для обозначения биологических систем, в которых системы положительной и отрицательной обратной связи могут взаимодействовать, при этом выход одной влияет на вход другой, и наоборот.
Некоторые системы с обратная связь может иметь очень сложное поведение, такое как хаотическое поведение в нелинейных системах, в то время как другие имеют гораздо более предсказуемое поведение, например те, которые используются для создания и проектирования цифровых систем.
Обратная связь широко используется в цифровых системах. Например, двоичные счетчики и аналогичные устройства используют обратную связь, в которой текущее состояние и входы используются для вычисления нового состояния, которое затем возвращается и синхронизируется обратно в устройство для его обновления.
Обратная связь может вызвать невероятно сложное поведение. Множество Мандельброта (черный) в непрерывно окрашенной среде строится путем многократной передачи значений через простое уравнение и записи точек на воображаемой плоскости, которые не расходятся. Используя свойства обратной связи, поведение системы могут быть изменены в соответствии с потребностями приложения; системы могут быть стабильными, отзывчивыми или постоянными. Показано, что динамические системы с обратной связью адаптируются к границе хаоса.
В биологических системах, таких как организмы, экосистемы или биосферы, большинство параметров должны оставаться под контролем в узком диапазоне около определенного оптимального уровня при определенных условиях окружающей среды. Отклонение от оптимального значения контролируемого параметра может быть следствием изменений внутренней и внешней среды. Изменение некоторых условий окружающей среды также может потребовать изменения этого диапазона, чтобы система могла функционировать. Значение поддерживаемого параметра записывается системой приема и передается в модуль регулирования по информационному каналу. Примером этого является колебания инсулина.
. Биологические системы содержат множество типов регуляторных контуров, как положительных, так и отрицательных. Как и в других контекстах, положительные и отрицательные не означают, что обратная связь вызывает хорошие или плохие последствия. Петля отрицательной обратной связи имеет тенденцию замедлять процесс, тогда как петля положительной обратной связи имеет тенденцию ускорять его. зеркальные нейроны являются частью системы социальной обратной связи, когда наблюдаемое действие «отражается» мозгом - как действие, совершенное самим.
Нормальная целостность ткани сохраняется за счет обратных взаимодействий между различными типами клеток, опосредованных молекулами адгезии и секретируемыми молекулами, которые действуют как медиаторы; отказ ключевых механизмов обратной связи при раке нарушает функцию тканей. В поврежденной или инфицированной ткани медиаторы воспаления вызывают в клетках ответы обратной связи, которые изменяют экспрессию генов и изменяют группы молекул, экспрессируемых и секретируемых, включая молекулы, которые побуждают различные клетки взаимодействовать и восстанавливать структуру и функцию ткани. Этот тип обратной связи важен, поскольку он обеспечивает координацию иммунных реакций и восстановление после инфекций и травм. Во время рака ключевые элементы этой обратной связи не работают. Это нарушает функцию тканей и иммунитет.
Механизмы обратной связи были впервые выяснены у бактерий, когда питательное вещество вызывает изменения в некоторых из их метаболических функций. Обратная связь также играет центральную роль в функционировании генов и генных регуляторных сетей. Репрессор (см. Lac-репрессор ) и активатор белки используются для создания генетических оперонов, которые были идентифицированы Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1961 году как контуры обратной связи. Эти петли обратной связи могут быть положительными (как в случае связывания между молекулой сахара и белками, которые импортируют сахар в бактериальную клетку) или отрицательными (как это часто бывает в метаболическом потреблении).
В более крупном масштабе обратная связь может иметь стабилизирующий эффект на популяции животных, даже когда они сильно подвержены влиянию внешних изменений, хотя временные задержки в ответной реакции могут вызвать циклы хищник-жертва.
In зимология, обратная связь служит регуляцией активности фермента с помощью его прямого продукта (ов) или последующих метаболитов в метаболическом пути (см. аллостерическая регуляция ).
Ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники в значительной степени контролируется положительной и отрицательной обратной связью, большая часть которой до сих пор неизвестна.
В психологии тело получает стимул из окружающей среды или изнутри, который вызывает выброс гормонов. Затем высвобождение гормонов может вызвать высвобождение большего количества этих гормонов, вызывая петлю положительной обратной связи. Этот цикл также встречается в определенном поведении. Например, «петля стыда» возникает у людей, которые легко краснеют. Когда они понимают, что краснеют, они становятся еще более смущенными, что приводит к еще большему покраснению и т. Д.
Климатическая система характеризуется сильными положительными и отрицательными петлями обратной связи. между процессами, влияющими на состояние атмосферы, океана и суши. Простым примером является цикл положительной обратной связи лед-альбедо, в котором тающий снег обнажает более темную почву (с более низким альбедо ), которая, в свою очередь, поглощает тепло и вызывает таяние большего количества снега.
Обратная связь широко используется в теории управления с использованием различных методов, включая пространство состояний (элементы управления), полную обратную связь по состоянию, и так далее. Обратите внимание, что в контексте теории управления «обратная связь» традиционно подразумевает «отрицательную обратную связь».
Наиболее распространенным контроллером общего назначения, использующим механизм обратной связи контура управления, является пропорционально-интегрально-производная (ПИД-регулятор). Эвристически параметры ПИД-регулятора можно интерпретировать как соответствующие времени: пропорциональный член зависит от текущей ошибки, интегральный член от накопления прошлых ошибок, а производный член является предсказанием будущей ошибки на основе текущего коэффициента изменений.
Для получения обратной связи в образовательном контексте см. Корректирующая обратная связь.
В древние времена поплавковый клапан использовался для регулирования потока воды в греческих и римских водяных часах ; аналогичные поплавковые клапаны используются для регулирования подачи топлива в карбюраторе , а также для регулирования уровня воды в баке унитаза со смывом.
Голландский изобретатель Корнелиус Дреббель (1572-1633) встроенные термостаты (c1620) для контроля температуры в инкубаторах для кур и химических печах. В 1745 году мельница была усовершенствована кузнецом Эдмундом Ли, который добавил веерный хвост, чтобы мельница была направлена против ветра. В 1787 году Том Мид регулировал скорость вращения ветряной мельницы с помощью центробежного маятника для регулировки расстояния между основанием и бегуном (т. Е. Для регулировки нагрузки).
Использование центробежного регулятора Джеймсом Ваттом в 1788 году для регулирования скорости его паровой машины было одним из факторов, приведших к Промышленная революция. В паровых двигателях также используются поплавковые клапаны и клапаны сброса давления в качестве устройств механического регулирования. Математический анализ губернатора Ватта был выполнен Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году.
Great Eastern был одним из крупнейших пароходов в своем время и использовал паровой руль направления с механизмом обратной связи, разработанный в 1866 году Джоном Макфарлейном Греем. Джозеф Фаркот придумал слово серво в 1873 году для описания систем рулевого управления с паровым приводом. Позднее для позиционирования орудий использовались гидравлические сервоприводы. Элмер Амброуз Сперри из Sperry Corporation разработал первый автопилот в 1912 году. Николас Минорский опубликовал теоретический анализ автоматического управления кораблем в 1922 году. и описан ПИД-регулятор.
В двигателях внутреннего сгорания конца 20 века использовались механизмы механической обратной связи, такие как опережение времени вакуума, но механическая обратная связь была заменена электронными системами управления двигателем когда-то небольшие, прочные и мощные однокристальные микроконтроллеры стали доступными.
Простейшая форма усилителя обратной связи может быть представлена идеальной структурной схемой, состоящей из односторонних элементов.Использование обратной связи широко распространено в конструкции электронные компоненты, такие как усилители, генераторы и элементы логической схемы с отслеживанием состояния , такие как триггеры и счетчики. Электронные системы обратной связи также очень часто используются для управления механическими, тепловыми и другими физическими процессами.
Если сигнал инвертируется на своем пути по контуру управления, считается, что система имеет отрицательную обратную связь ; в противном случае обратная связь считается положительной. Отрицательная обратная связь часто преднамеренно вводится для повышения стабильности и точности системы путем исправления или уменьшения влияния нежелательных изменений. Эта схема может выйти из строя, если входные данные изменяются быстрее, чем система может на это реагировать. Когда это происходит, запаздывание в поступлении корректирующего сигнала может привести к чрезмерной коррекции, в результате чего выходной сигнал будет колебаться или «искать». Хотя этот эффект часто является нежелательным следствием поведения системы, он сознательно используется в электронных генераторах.
Гарри Найквист в Bell Labs вывел критерий устойчивости Найквиста для определения устойчивости систем обратной связи. Более простой, но менее общий метод - использовать графики Боде, разработанные Хендриком Боде, для определения запаса по усилению и запаса по фазе. Конструкция для обеспечения стабильности часто включает частотную компенсацию для управления положением полюсов усилителя.
Электронные контуры обратной связи используются для управления выходом электронных устройств, таких как усилители. Цикл обратной связи создается, когда весь выходной сигнал или его часть возвращается на вход. Говорят, что устройство работает в разомкнутом контуре, если не используется обратная связь по выходу, и в замкнутом контуре, если используется обратная связь.
Когда два или более усилителя перекрестно связаны с использованием положительной обратной связи, могут возникнуть сложные поведения. Эти мультивибраторы широко используются и включают:
Отрицательная обратная связь возникает, когда выходной сигнал обратной связи имеет относительную фазу 180 ° по отношению к входному сигналу (вверх ногами). Эту ситуацию иногда называют не в фазе, но этот термин также используется для обозначения других разделений фаз, например, «90 ° не в фазе». Отрицательная обратная связь может использоваться для исправления ошибок вывода или снижения чувствительности системы к нежелательным колебаниям. В усилителях с обратной связью эта коррекция обычно предназначена для уменьшения искажения формы сигнала или для установления заданного уровня усиления. Общее выражение для усиления усилителя с отрицательной обратной связью - это модель асимптотического усиления .
Положительная обратная связь возникает, когда сигнал обратной связи находится в фазе с входным сигналом. При определенных условиях усиления положительная обратная связь усиливает входной сигнал до такой степени, что выход устройства колеблется между своим максимальным и минимально возможным состояниями. Положительная обратная связь также может вносить в схему гистерезис. Это может привести к тому, что схема будет игнорировать малые сигналы и реагировать только на большие. Иногда его используют для устранения шума из цифрового сигнала. При некоторых обстоятельствах положительная обратная связь может вызвать фиксацию устройства, то есть достижение состояния, при котором выход заблокирован в своем максимальном или минимальном состоянии. Этот факт очень широко используется в цифровой электронике для создания бистабильных схем для энергозависимого хранения информации.
Громкий визг, который иногда возникает в аудиосистемах, PA-системах и рок-музыке, известен как звуковая обратная связь <302.>. Если микрофон находится перед громкоговорителем, к которому он подключен, звук, который улавливает микрофон, выходит из динамика, улавливается микрофоном и повторно усиливается. Если коэффициент усиления контура достаточен, возможен вой или визг при максимальной мощности усилителя.
Популярный релаксирующий генератор операционного усилителя.Электронный генератор представляет собой электронную схему, которая генерирует периодические, колебательный электронный сигнал, часто синусоидальный или прямоугольный сигнал. Генераторы преобразуют постоянный ток (DC) из источника питания в сигнал переменного тока. Они широко используются во многих электронных устройствах. Общие примеры сигналов, генерируемых генераторами, включают сигналы, передаваемые радио и телевизионными передатчиками, сигналы часов, которые регулируют компьютеры и кварцевые часы, а также звуки, издаваемые электронными звуковыми сигналами. и видеоигры.
Осцилляторы часто характеризуются частотой их выходного сигнала:
Генераторы, предназначенные для генерации мощных Выход переменного тока от источника постоянного тока обычно называется инверторами.
Существует два основных типа электронных генераторов: линейный или гармонический генератор и нелинейный или релаксационный генератор.
4-битный счетчик звонков с использованием триггеров D-типа защелка или триггер - это схема, которая имеет два стабильных состояния и может использоваться для хранения информации о состоянии. Обычно они конструируются с использованием обратной связи, которая переключается между двумя плечами схемы, чтобы обеспечить состояние схемы. Схема может быть изменена с помощью сигналов, подаваемых на один или несколько управляющих входов, и будет иметь один или два выхода. Это основной элемент хранения в последовательной логике. Защелки и триггеры - это фундаментальные строительные блоки систем цифровой электроники, используемых в компьютерах, системах связи и многих других типах систем.
Защелки и триггеры используются как элементы хранения данных. Такое хранилище данных может использоваться для хранения состояния, и такая схема описывается как последовательная логика. При использовании в конечном автомате выход и следующее состояние зависят не только от текущего входа, но и от текущего состояния (и, следовательно, предыдущих входов). Его также можно использовать для подсчета импульсов и для синхронизации входных сигналов с переменной синхронизацией с некоторым опорным сигналом синхронизации.
Триггеры могут быть простыми (прозрачными или непрозрачными) или тактовыми (синхронными или с запуском по фронту). Хотя термин триггер исторически относился как к простым, так и к синхронизированным схемам, в современном использовании термин триггер обычно используется исключительно для обсуждения синхронизированных схем; простые обычно называются защелками.
Используя эту терминологию, защелка чувствительна к уровню, тогда как триггер чувствителен к краю. То есть, когда защелка включена, она становится прозрачной, в то время как выходной сигнал триггера изменяется только при одном типе (положительный или отрицательный) фронта тактового сигнала.
Контуры обратной связи обеспечивают общие механизмы для управления работой, обслуживанием и развитием программного обеспечения и вычислительных систем. Петли обратной связи являются важными моделями в разработке адаптивного программного обеспечения, поскольку они определяют поведение взаимодействий между элементами управления в процессе адаптации, чтобы гарантировать свойства системы во время выполнения. Петли обратной связи и основы теории управления успешно применяются в вычислительных системах. В частности, они применялись при разработке таких продуктов, как сервер IBM Universal Database и. С точки зрения программного обеспечения цикл autonomic (MAPE, мониторинг, анализировать план, выполнение), предложенный исследователями IBM, является еще одним ценным вкладом в применение циклов обратной связи для управления динамическими свойствами, а также проектирования и развития автономных программные системы.
Обратная связь также является полезным принципом проектирования для разработки пользовательских интерфейсов.
Видеоотклик - это видео эквивалент акустической обратной связи. Он включает в себя цикл между входом видеокамеры и видеовыходом, например, телевизионным экраном или монитором. Направление камеры на дисплей создает сложное видеоизображение на основе обратной связи.
фондовый рынок пример системы , склонной к колебательной «охоте», управляемой положительной и отрицательной обратной связью, возникающей в результате когнитивных и эмоциональных факторов среди участников рынка. Например:
Джордж Сорос использовал слово рефлексивность, чтобы описать обратную связь на финансовых рынках и развил инвестиционная теория, основанная на этом принципе.
Традиционная модель экономического равновесия спроса и предложения поддерживает только идеальную линейную отрицательную обратную связь и подвергалась резкой критике автор Пол Ормерод в его книге Смерть экономики, которая, в свою очередь, подверглась критике со стороны традиционных экономистов. ОК было частью изменения точки зрения, поскольку экономисты начали осознавать, что теория хаоса применима к нелинейным системам обратной связи, включая финансовые рынки.
 | Look up feedback in Wiktionary, the free dictionary. |
Media related to Feedback at Wikimedia Commons