Обратная связь

Обратная связь (далее О), обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган. О характеризует системы регулирования и управления в живой природе, обществе и технике. Различают положительную и отрицательную О Если результаты процесса усиливают его, то О является положительной. Когда результаты процесса ослабляют его действие, то имеет место отрицательная О Отрицательная О стабилизирует протекание процессов. Положительная О, напротив, обычно приводит к ускоренному развитию процессов и к колебательным процессам, В сложных системах (например, в социальных, биологических) определение типов О затруднительно, а иногда и невозможно. О классифицируют также в соответствии с природой тел и сред, посредством которых они осуществляются: механическая (например, отрицательная О, осуществляемая центробежным регулятором Уатта в паровой машине); оптическая (например, положительная О, осуществляемая оптическим резонатором в лазере); электрическая и т.д. Иногда О в сложных системах рассматривают как передачу информации о протекании процесса, на основе которой вырабатывается то или иное управляющее воздействие. В этом случае О называют информационной. Понятие О как формы взаимодействия играет важную роль в анализе функционирования и развития сложных систем управления в живой природе и обществе, в раскрытии структуры материального единства мира.

Л. И. Фрейдин.

О в системах автоматического регулирования и управления, связь в направлении от выхода к входу рассматриваемого участка основной цепи воздействий (передачи информации). Этим участком может быть как управляемый объект, так и любое звено автоматической системы (либо совокупность звеньев). Основная цепь воздействий — условно выделяемая цепь прохождения сигналов от входа к выходу автоматической системы. О образует путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо ее участку.

Благодаря О результаты функционирования автоматические системы воздействуют на вход этой же системы или, соответственно, ее части, влияют на характер их функционирования и математическое описание движения. Такие системы с замкнутой цепью воздействий — замкнутые системы управления — характеризуются тем, что для них входными являются как внешние, так и контрольные воздействия, т. е. идущие от управляемого объекта на управляющее устройство.

Цепь (канал) О может содержать одно или несколько звеньев, осуществляющих преобразование выходного сигнала основной цепи воздействий по заданному алгоритму. Пример цепи О — управляющее устройство (например, автоматический регулятор), получающее в качестве входной величины выходное (действительное) воздействие управляемого объекта и сравнивающее его с предписанным (в соответствии с алгоритмом функционирования) значением. В итоге этого сравнения формируется воздействие управляющего устройства на управляемый объект (см. Регулирование автоматическое). Т. о., объект управления охватывается цепью О в виде управляющего устройства, цепь воздействия замыкается; такая О называется обычно главной.

О является фундаментальным понятием кибернетики, особенно теории управления и теории информации; О позволяет контролировать и учитывать действительное состояние управляемой системы (т. е., в конечном счете, результаты работы управляющей системы) и вносить соответствующие корректировки в ее алгоритм управления. В технических системах контрольная информация о работе управляемого объекта поступает по цепи О к оператору или автоматическому управляющему устройству.

Отрицательная О широко используется в замкнутых автоматических системах с целью повышения устойчивости (стабилизации), улучшения переходных процессов, понижения чувствительности и т.п. (под чувствительностью понимается отношение бесконечно малого изменения выходного воздействия к вызвавшему его бесконечно малому входному воздействию). Положительная О усиливает выходное воздействие звена (или системы), приводит к повышению чувствительности и, как правило, к понижению устойчивости (часто к незатухающим и расходящимся колебаниям), ухудшению переходных процессов и динамических свойств и т.п.

По виду преобразования воздействия в цепи О различают жесткую (статическую), дифференцирующую (гибкую, упругую) и интегрирующую О Жесткая О содержит только пропорциональные звенья и ее выходное воздействие пропорционально входному (как в статике, так и в динамике — в определенном диапазоне частот колебаний). Дифференцирующие связи содержат дифференцирующие звенья (простые, изодромные) и могут быть (исчезающими со временем) или со статизмом. Связи без статизма проявляются только в динамике, так как в их математической модели не участвует входное воздействие, а фигурируют лишь его производные, стремящиеся к нулю с окончанием переходных процессов. В состав интегрирующей О входит интегрирующее звено, накапливающее со временем поступающие воздействия.

Для систем с О справедливы следующие закономерности. Пропорциональное звено при охвате О остается пропорциональным с новым коэффициентом передачи, увеличенным (против исходного) при положительной и уменьшенным при отрицательной О Статическое звено первого порядка при охвате жесткой отрицательной О остается статическим первого порядка; меняются постоянная времени и коэффициент передачи. Интегрирующее звено при охвате жесткой отрицательной О превращается в статическое, а при охвате изодромной О начинает реагировать и на производную (по времени) входного воздействия. Статическое звено первого порядка при охвате изодромной О также реагирует и на производную (по времени) входного воздействия. При охвате пропорционального звена интегрирующей отрицательной О получается инерционно-дифференцирующее звено. Если при этом исходное пропорциональное звено имеет весьма большой коэффициент передачи (по сравнению с коэффициентом передачи изодромной О), то образующееся звено приближается по своей характеристике к дифференцирующему.

Лит.: Хэммонд П. Х., Теория обратной связи и ее применения, пер. с англ., М., 1961; Винер Н., Кибернетика, пер. с англ., М., 1958; его же, Кибернетика и общество, пер. с англ., М., 1958; Теория автоматического управления, ч. 1—2, М., 1968—72; Основы автоматического управления, 3 изд., М., 1974.

М. М. Майзель.

О в радиоэлектронных устройствах, воздействие сигнала с выхода устройства на его вход. Электрическая цепь, по которой сигнал с выхода устройства подается на вход, называется цепью О Чаще всего устройство можно представить в виде эквивалентной электрической цепи, имеющей две (входную и выходную) пары зажимов, и характеризовать т. н. передаточной функцией, или функцией передачи, определяемой отношением напряжения или тока на выходной паре зажимов к напряжению или току на входной паре зажимов. Функция передачи _c устройства с О может быть определена из формулы:

где ₀ — функция передачи устройства без О; b — функция цепи О; bF₀ — петлевое усиление; 1 — bF₀ — глубина О

Классификация О О классифицируют главным образом по виду функции передачи цепи О и соотношению функций передачи цепи О и самого устройства, по характеру цепи О, по способу подключения цепи О ко входу и выходу устройства.

Различают линейную и нелинейную О в зависимости от того, линейна или нелинейна функция передачи цепи О Если bF₀ — действительное число и > 0, О является положительной; если bF₀ — действительное число и < 0, О является отрицательной. При гармоническом входном колебании характер и глубина О могут оказаться различными при разных частотах этого колебания. Такую О называют частотно-зависимой. Она может быть положительной при одной частоте, когда фазы колебаний, которые подаются на вход устройства с выхода цепи О и извне, совпадают (разность фаз Dj = 0°), и отрицательной при др. частоте, когда они противоположны. При частоте, на которой Dj не равна 0° или 180°, функция передачи цепи О представляет собой комплексное число; такая О называют комплексной. При Dj, равной 90°, О называют иногда (чисто) реактивной. Если цепь комплексной О содержит линию задержки, т. е. если Dj приблизительно пропорциональна частоте колебаний, О называется запаздывающей.

Если О осуществляют подключением к устройству дополнительных цепей, то она называется внешней; если О обусловливается физическими явлениями в самих электронных приборах, используемых в устройстве, то она называется внутренней. Если внешняя цепь О возникла непреднамеренно. то О называется паразитной.

По способу подключения цепей О ко входу и выходу устройства различают последовательную и параллельную О, если выход цепи О подключен последовательно (рис. 1, а, б) или параллельно (рис. 1, б, г) источнику сигнала, и смешанную (комбинированную) по входу, если подключение цепей О к источнику сигнала последовательно-параллельное. Различают также О по напряжению и по току, если напряжение или ток на входе цепи О пропорциональны соответственно напряжению на нагрузочном сопротивлении (рис. 1, б, г) или току в нем (рис. 1, а, в), и О смешанную (комбинированную) по выходу, если подключение цепей О к нагрузочному (выходному) сопротивлению последовательно-параллельное. О, при которой с выхода на вход устройства передаются только помехи и искажения сигнала, возникающие в устройстве, наз. балансной.

Свойства и применение обратной связи. В устройстве с положительной О при петлевом усилении ≥ 1 могут возникнуть автоколебания, что и используют в различного рода генераторах электрических колебаний. Положительные О с bF₀ < 1 применяют для усиления некоторых свойств устройства, например для увеличения селективности и чувствительности радиоприемника при регенеративном приеме. Важнейшим свойством отрицательной О является то, что она приближает функцию передачи устройства к функции, обратной функции передачи цепи О, и тем сильнее, чем больше глубина О Поэтому ее применяют главным образом для стабилизации параметров устройства (например, коэффициент усиления усилителя электрических колебаний) и уменьшения возникающих в нем нелинейных искажений (в 1 — bF₀ раз). Кроме функции передачи, О изменяет входную и выходную реакции устройства с О Отрицательная параллельная (последовательная) О по напряжению (току) уменьшает (увеличивает) соответственно входное и выходное сопротивление устройства с О Положительная О ведет себя противоположным образом. Комплексную частотно-зависимую О применяют для создания т. н. активных электрических фильтров. Она также позволяет реализовать в электрических и радиотехнических устройствах элементы электрических цепей, не существующие в виде физических приборов, например элементы с отрицательной емкостью и с отрицательной индуктивностью, гиратор (преобразователь полного сопротивления, например емкостного в индуктивное) на любую рабочую частоту и элементы с электрически управляемыми параметрами (например, в виде реактивной лампы). Иногда такая О используется для нейтрализации нежелательной внутренней О в электронных приборах.

В одном устройстве нередко применяют одновременно несколько цепей О различного характера. В качестве примера можно привести ламповый усилитель (рис. 2) с комплексной частотно-зависимой параллельной О по напряжению, реализуемой взаимной индуктивностью (т. н. трансформаторная О), и отрицательной последовательной О по току, осуществляемой резистором. На частоте, равной резонансной частоте колебательного контура, трансформаторная О становится положительной. Если ее петлевое усиление < 1 (с учетом действия отрицательной О. с), то все устройство работает как регенеративный усилитель, в котором отрицательная О стабилизирует глубину положит. О и тем самым стабилизирует коэффициент усиления и полосу пропускания усилителя. Если же петлевое усиление ≥ 1, то устройство работает как генератор электрических колебаний, в котором отрицательная О ограничивает ток через электронную лампу и улучшает форму колебаний на выходе, приближая ее к синусоидальной.

Лит.: Брауде Г. В., Коррекция телевизионных и импульсных сигналов, Сб. ст., М., 1967; Цыкин Г. С., Усилительные устройства, 4 изд., М., 1971.

Л. И. Фрейдин.

О в биологии. Существование систем регулирования с О прослеживается на всех уровнях организации живого — от молекулярного до популяционного и биоценотического. Особенно значителен вклад этого механизма в автоматическое поддержание постоянства внутренних сред организма — гомеостаза, в деятельность генетического аппарата, эндокринной и нервной систем.

Представления о регулировании по принципу О появились в биологии давно. Уже первая гипотеза о рефлекторных реакциях (Р. Декарт, 17 в., Й. Прохаска, 18 в.) содержала предпосылки этого принципа. В более четкой форме эти представления были развиты в работах Ч. Белла, И. М. Сеченова и И. П. Павлова, а позже — в 30—40-х гг. 20 в. Н. А. Бернштейном и П. К. Анохиным. В наиболее полном и близком к современному его пониманию виде принцип О (отрицательной) — как общий принцип для всех живых систем — был сформулирован русским физиологом Н. А. Беловым (1912—24) под названием "параллельно-перекрестного взаимодействия" и экспериментально изучен на эндокринных органах М. М. Завадовским, назвавшим его "плюс — минус взаимодействием". Белов показал, что отрицательная О — общий принцип, обеспечивающий тенденцию к равновесию в любых (не только живых) системах, но, как и Завадовский, считал, что в живых системах невозможно существование положительных О Советским ученым А. А. Малиновским было показано наличие в живых системах всех типов О и сформулированы различия их приспособительского значения (1945—60). За рубежом О в биологии начали широко исследовать после появления в 1948 книги Н. Винера "Кибернетика". В СССР в 50—60-х гг. 20 в. И. И. Шмальгаузен успешно применил представление об О в популяционной генетике.

В живых системах следует различать О типа взаимной стимуляции (положительная О) или подавления в ответ на стимуляцию (отрицательная О), поддающиеся хотя бы приближенной количественнной оценке, и качественно сложные О, когда, например в онтогенезе, один орган способствует дифференцировке другого, а последний, на новом этапе, определяет качественно развитие первого. Общие принципы О сформулированы в основном для отношений первого типа. Отрицательная О обеспечивает поддержание системы в устойчивом равновесии, т.к. увеличение воздействия управляющего органа на объект (регулируемый орган, систему, процесс) вызывает противоположное воздействие объекта на управляющий орган. Физиологический смысл отрицательной О заключается в том, что увеличение регулируемой величины (например, активности органа) сверх некоего предела вызывает понижающее воздействие со стороны сопряженной с нею подсистемы; резкое уменьшение регулируемой величины обусловливает противоположное воздействие. При положительной О информация об увеличении регулируемой величины вызывает в связанной с нею подсистеме реакцию, обеспечивающую дальнейшее увеличение этой величины. У высокоорганизованных животных деятельность центральной нервной системы в норме всегда включает как необходимое условие наличие О Так, любое действие животного, например погоня за добычей, сопровождается импульсами, поступающими от центральной нервной системы к мышцам (бег, схватывание добычи), и обратными сигналами от органов чувств (зрение, проприорецепторы и др.), позволяющими учитывать результаты усилий и корректировать их в связи с ходом событий.

Саморегуляция процессов жизнедеятельности также обусловлена О Так, подъем артериального давления выше нормы воспринимается специальными рецепторами (например, барорецепторами каротидного синуса), которые сигнализируют об этом в вазомоторные центры нервной системы. Это приводит к возникновению центробежных импульсов, ведущих к снижению давления (см. Кровообращение). Подобный процесс — пример отрицательной О, наиболее часто наблюдаемой в стабильных живых системах. Большинство регуляторных систем животных и растительных организмов работает по этому принципу. Положительная О преобладают в период эмбрионального развития.

Многие процессы в экологии, например регуляция динамики популяций, также основаны на положительной и отрицательной О Так, особый случай отрицательной О представляет собой рассмотренная итальянским математиком В. Вольтерра система хищник — жертва. Увеличение численности жертв способствует усиленному размножению хищников, а рост численности последних, напротив, — снижению численности жертв. Хотя таким образом равновесие и поддерживается в природе, по благодаря запозданию в размножении животных оно приобретает форму волн жизни — широких колебаний численности животных вокруг среднего уровня.

На молекулярном уровне по принципу О регулируется огромное число ферментативных реакций, одновременно протекающих в живой клетке. Координация этой сложной взаимосвязанной системы осуществляется путем изменения активности ферментов (отрицательную О осуществляют ингибиторы, положительную — стимуляторы) или скорости их синтеза (О осуществляют эффекторы; см. Оперон).

Комбинации положительных и отрицательных О обусловливают альтернативную смену физиологических состояний (например, сон — бодрствование). Изучение кривой развития патологических процессов неинфекционного характера (трофические язвы, гипертония, маниакально-депрессивный психоз, эпилепсия и т.д.) позволяет, исходя из результата, определить наиболее вероятный тип О, лежащий в основе заболевания, и ограничить изучение его этиологии и патогенеза механизмами определенной категории. Живые объекты как наиболее совершенные саморегулирующиеся системы богаты различными типами О; изучение последних — весьма продуктивно для исследования биологических явлений и установления их специфичности.

Лит.: Малиновский А. А., Типы управляющих биологических систем и их приспособительное значение, в сборнике: Проблемы кибернетики, № 4, М., 1961, с. 151—181; Регуляторные механизмы клетки, пер. с англ., М., 1964; Петрушенко Л.А., Принцип обратной связи, М., 1967: Винер Н., Кибернетика или управление и связь в животном и машине, пер. с англ., М., 1968; Шмальгаузен И. И., Кибернетические вопросы биологии, Новосибирск, 1968.

А. А. Малиновский.

		Новости 06.11.2024 00:15:50

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.