Обратная связь (техника)

Обра́тная связь в технике — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный её выходному сигналу (или, в общем случае, являющийся функцией этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания, то есть система становится генератором.

Механизмы саморегулирования существовали с древнейших времен, а идея обратной связи начала входить в экономическую теорию Великобритании к XVIII веку, но в то время она не была признана универсальной и поэтому не имела названия[1].

Первым известным устройством искусственной обратной связи был поплавковый клапан для поддержания воды на постоянном уровне, изобретенный в 270 году до нашей эры в Александрии. Это устройство иллюстрировало принцип обратной связи: низкий уровень воды открывает клапан, затем поднимающаяся вода обеспечивает обратную связь c системой, закрывая клапан при достижении требуемого уровня. Это повторяется по кругу, если уровень воды колеблется[2].

Центробежные регуляторы использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах с 17 века. В 1788 году Джеймс Уатт разработал свой первый центробежный регулятор по предложению своего делового партнера Мэтью Боултона для использования в паровых двигателях. Ранние паровые двигатели использовали чисто возвратно-поступательное движение и использовались для перекачки воды — это применение не чувствительно к изменению рабочей скорости, но использование паровых двигателей в других случаях требовало более точного контроля скорости.

В 1868 году Джеймс Клерк Максвелл написал знаменитую работу "О регуляторах", которая считается классической в теории управления и математики обратной связи[3].

Фраза "to feed back", в смысле возвращения к более раннему положению в механическом процессе, была впервые использована в США в 1860-е годы[4][5], а в 1909 году нобелевский лауреат Карл Фердинанд Браун использовал термин "feed-back" в качестве существительного для обозначения (нежелательной) связи между компонентами аналоговой схемы[6].

В 1912 году исследователи, использовавшие ранние электронные усилители (аудионы), обнаружили, что намеренное направление части выходного сигнала обратно во входную цепь увеличивает усиление (через регенерацию), но также вызывает лишний шум в устройстве. Это действие обратной передачи сигнала с выхода на вход привело к использованию термина "обратная связь" в качестве отдельного слова к 1920 году[7].

На протяжении многих лет существовал некоторый спор относительно наилучшего определения обратной связи. Согласно Эшби, математики и теоретики, интересующиеся принципами механизмов обратной связи, предпочитают определение "цикличности действия", которое сохраняет теорию простой и последовательной. Для более практических целей обратная связь должна преднамеренно воздействовать через какую-то более осязаемую связь.

Экспериментаторы возражают против математического определения обратной связи, так как в этом случае обратная связь присутствует в обычном маятнике между его положением и его импульсом — "обратная связь", которая, с практической точки зрения, несколько мистична. На это математики возражают, что если обратная связь должна действовать только тогда, когда есть реальный провод или нерв, чтобы представлять её, то теория становится хаотичной и пронизанной несоответствиями[8].

Также имеется определение обратной связи как "информации о разрыве между фактическим уровнем и эталонным уровнем системного параметра", которая используется для "некоторого изменения разрыва". При этом информация сама по себе не является обратной связью, если она не переведена в действие[9].

Поддержание желаемой производительности системы несмотря на помехи использования отрицательной обратной связи для уменьшения системных ошибок

Положительная обратная связь: Если сигнал обратной связи с выхода находится в фазе с входным сигналом, то обратная связь является положительной.

Отрицательная обратная связь: Если сигнал обратной связи имеет противоположную полярность или находится вне фазы на 180° по отношению к входному сигналу, то обратная связь называется отрицательной обратной связью.

В качестве примера отрицательной обратной связи можно представить систему круиз-контроля в автомобиле, которая соответствует целевой скорости. Управляемая система — это автомобиль; ее вход включает в себя комбинированный крутящий момент от двигателя и от изменяющегося уклона дороги.

Скорость (состояние) автомобиля измеряется спидометром. Сигнал ошибки — это отклонение скорости, измеренной спидометром, от заданной скорости. Эта измеренная погрешность интерпретируется контроллером для регулировки акселератора, управляющего потоком топлива в двигатель. Результирующее изменение крутящего момента двигателя, обратная связь, сочетается с изменением крутящего момента вследствие изменения уклона дороги, чтобы уменьшить ошибку в скорости минимизируя дорожные помехи.

Термины "положительная" и "отрицательная" были впервые применены к обратной связи в 1920-е годы с введением регенеративной схемы[10]. В 1924 году Фриис и Йенсен описали регенерацию в наборе электронных усилителей как случай, когда действие "обратной связи" является положительным в отличие от отрицательного действия обратной связи, о котором они упоминают лишь мимоходом[11]. Классическая статья Гарольда Стивена Блэка 1934 года впервые подробно описывает использование отрицательной обратной связи в электронных усилителях. По словам Блэка, положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя, отрицательная обратная связь уменьшает его[12]. Однако ещё до того, как были впервые применены эти термины, Джеймс Клерк Максвелл описал несколько видов "компонентных движений", связанных 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[13].