Зворотний зв'язок
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Зворотний зв'язок

Зворотний зв'язок , зворотна дія результатів процесу на його протікання або керованого процесу на орган, що управляє. О. с. характеризує системи регулювання і управління в живій природі, суспільстві і техніці. Розрізняють позитивну і негативну О. с. Якщо результати процесу підсилюють його, то О. с. є позитивною. Коли результати процесу ослабляють його дію, то має місце негативна О. с. Негативна О. с. стабілізує протікання процесів. Позитивна О. с., навпаки, зазвичай приводить до прискореного розвитку процесів і до коливальних процесів, В складних системах (наприклад, в соціальних, біологічних) визначення типів О. с. скрутно, а інколи і неможливо. О. с. класифікують також відповідно до природи тіл і середовищ, за допомогою яких вони здійснюються: механічна (наприклад, негативна О. с., здійснювана відцентровим регулювальником Уатта в паровій машині); оптична (наприклад, позитивна О. с., здійснювана оптичним резонатором в лазері ); електрична і т.д. Інколи О. с. в складних системах розглядають як передачу інформації про протікання процесу, на основі якої виробляється те або інша дія, що управляє. В цьому випадку О. с. називають інформаційною. Поняття О. с. як форми взаємодії грає важливу роль в аналізі функціонування і розвитку складних систем управління в живій природі і суспільстві, в розкритті структури матеріальної єдності світу.

загрузка...

  Л. І. Фрейдін.

  Зворотний зв'язок в системах автоматичного регулювання і управління, зв'язок в напрямі від виходу до входу даної ділянки основного ланцюга дій (передачі інформації). Цією ділянкою може бути як керований об'єкт, так і будь-яка ланка автоматичної системи (або сукупність ланок). Основний ланцюг дій — ланцюг проходження сигналів, що умовно виділяється, від входу до виходу автоматичної системи. О. с. утворює дорогу передачі дій на додаток до основного ланцюга дій або якому-небудь її ділянці.

  Завдяки О. с. результати функціонування автоматичні системи впливають на вхід цій же системи або, відповідно,, її частини впливають на характер їх функціонування і математичний опис руху. Такі системи із замкнутим ланцюгом дій — замкнуті системи управління — характеризуються тим, що для них вхідними є як зовнішні, так і контрольні дії, тобто що йдуть від керованого об'єкту на пристрій, що управляє.

  Ланцюг (канал) О. с. може містити одне або декілька ланок, що здійснюють перетворення вихідного сигналу основного ланцюга дій по заданому алгоритму . Приклад ланцюга О. с. — пристрій (наприклад, автоматичний регулювальник), що управляє, одержуючий як вхідну величину вихідну (дійсне) дію керованого об'єкту і що порівнює його з наказаним (відповідно до алгоритму функціонування) значенням. У підсумку цього порівняння формується дія пристрою, що управляє, на керований об'єкт (див. Регулювання автоматичне ). Т. о., об'єкт управління охоплюється ланцюгом О. с. у вигляді пристрою, що управляє, ланцюг дії замикається; така О. с. називається зазвичай головною.

  О. с. є фундаментальним поняттям кібернетики, особливо теорії управління і теорії інформації; О. с. дозволяє контролювати і враховувати дійсний стан керованої системи (т. е., кінець кінцем, результати роботи системи, що управляє) і вносити відповідні коректування до її алгоритму управління. У технічних системах контрольна інформація про роботу керованого об'єкту поступає по ланцюгу О. с. до оператора або автоматичного пристрою, що управляє.

  Негативна О. с. широко використовується в замкнутих автоматичних системах з метою підвищення стійкості (стабілізації), поліпшення перехідних процесів, пониження чутливості і т.п. (під чутливістю розуміється відношення безконечно малої зміни вихідної дії до того, що викликав його нескінченно малій вхідній дії). Позитивна О. с. підсилює вихідну дію ланки (або системи), приводить до підвищення чутливості і як правило, до пониження стійкості (часто до незгасаючих коливань, що розходяться), погіршення перехідних процесів і динамічних властивостей і т.п.

  По вигляду перетворення дії в ланцюзі О. с. розрізняють жорстку (статичну), диференціюючу (гнучку, пружну) і інтегруючу О. с. Жорстка О. с. містить лише пропорційні ланки і її вихідну дію пропорційно вхідному (як у статиці, так і в динаміці — у визначеному діапазоні частот коливань). Диференціюючі зв'язки містять диференціюючі ланки (прості, ізодромні) і можуть бути астатичними (зникаючими з часом) або із статізмом. Зв'язки без статізма виявляються лише в динаміці, оскільки в їх математичній моделі не бере участь вхідна дія, а фігурують лише його похідні, прагнучі до нуля із закінченням перехідних процесів. До складу інтегруючої О. с. входить інтегруюча ланка, що нагромаджує з часом дії, що поступають.

  Для систем с О. с. справедливі наступні закономірності. Пропорційна ланка при обхваті О. с. залишається пропорційним з новим коефіцієнтом передачі, збільшеним (проти початкового) при позитивній і зменшеним при негативній О. с. Статична ланка першого порядку при обхваті жорсткою негативною О. с. залишається статичним першого порядку; міняються постійна часу і коефіцієнт передачі. Інтегруюча ланка при обхваті жорсткою негативною О. с. перетворюється на статичне, а при обхваті ізодромною О. с. починає реагувати і на похідну (за часом) вхідної дії. Статична ланка першого порядку при обхваті ізодромною О. с. також реагує і на похідну (за часом) вхідної дії. При обхваті пропорційної ланки інтегруючою негативною О. с. виходить інерційно-диференціююча ланка. Якщо при цьому вихідна пропорційна ланка має вельми великий коефіцієнт передачі (в порівнянні з коефіцієнтом передачі ізодромною О. с.), то ланка, що утворюється, наближається по своїй характеристиці до диференціюючого.

  Літ.: Хеммонд П. Х., Теорія зворотного зв'язку і її вживання, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961; Вінер Н., Кібернетика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1958; його ж, Кібернетика і суспільство, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1958; Теорія автоматичного управління, ч. 1—2, М., 1968—72; Основи автоматичного управління, 3 видавництва, М., 1974.

  М. М. Майзель.

  Зворотний зв'язок в радіоелектронних пристроях, дія сигналу з виходу пристрою на його вхід. Електричний ланцюг, по якому сигнал з виходу пристрою подається на вхід, називається ланцюгом О. с. Найчастіше пристрій можна представити у вигляді еквівалентної електричної ланцюгу, що має дві (вхідну і вихідну) пари затисків, і характеризувати т.з. передавальною функцією, або функцією передачі, визначуваної відношенням напруги або струму на вихідній парі затисків до напруги або струму на вхідній парі затисків. Функція передачі F з пристрою с О. с. може бути визначена з формули:

  де F 0 — функція передачі пристрою без О. с.; b — функція ланцюга О. с.; bf 0 — петлеве посилення; 1 — bf 0 — глибина О. с.

  Класифікація О. с. О. с. класифікують головним чином по вигляду функції передачі ланцюга О. с. і співвідношенню функцій передачі ланцюга О. с. і самого пристрою, по характеру ланцюги О. с., за способом підключення ланцюга О. с. до входу і виходу пристрою.

  Розрізняють лінійну і нелінійну О. с. залежно від того, лінійна або нелінійна функція передачі ланцюга О. с. Якщо bf 0 — дійсне число і > 0, О. с. є позитивною; якщо bf 0 — дійсне число і < 0, О. с. є негативною. При гармонійному вхідному ваганні характер і глибина О. с. можуть виявитися різними при різних частотах цього вагання. Таку О. с. називають частотно-залежною. Вона може бути позитивною при одній частоті, коли фази коливань, які подаються на вхід пристрою з виходу ланцюга О. с. і ззовні, збігаються (різниця фаз Dj = 0°), і негативній при ін. частоті, коли вони протилежні. При частоті, на якій Dj не рівна 0° або 180°, функція передачі ланцюга О. с. є комплексне число ; така О. с. називають комплексною. При Dj, рівною 90°, О. с. називають інколи (чисто) реактивною. Якщо ланцюг комплексною О. с. містить лінію затримки, тобто якщо Dj приблизно пропорційна частоті коливань, О. с. називається такою, що запізнюється.

  Якщо О. с. здійснюють підключенням до пристрою додаткових ланцюгів, то вона називається зовнішньою; якщо О. с. обумовлюється фізичними явищами в самих електронних приладах, використовуваних в пристрої, то вона називається внутрішньою. Якщо зовнішній ланцюг О. с. виникла ненавмисно. те О. с. називається паразитною.

  За способом підключення ланцюгів О. с. до входу і виходу пристрою розрізняють послідовну і паралельну О. с., якщо вихід ланцюга О. с. підключений послідовно ( мал. 1 , а, би) або паралельно ( мал. 1 , би, г) джерелу сигналу, і змішану (комбіновану) по входу, якщо підключення ланцюгів О. с. до джерела сигналу послідовно-паралельне. Розрізняють також О. с. по напрузі і по струму, якщо напруга або струм на вході ланцюга О. с. пропорційні відповідно напрузі на опорі навантаження ( мал. 1 , би, г) або струму в нім ( мал. 1 , а, в), і О. с. змішану (комбіновану) по виходу, якщо підключення ланцюгів О. с. до опору навантаження (вихідному) послідовно-паралельне. О. с., при якій з виходу на вхід пристрою передаються лише перешкоди і спотворення сигналу, що виникають в пристрої, наз.(назив) балансною.

  Властивості і вживання зворотного зв'язку. В пристрої з позитивною О. с. при петлевому посиленні ≥ 1 можуть виникнути автоколивання, що і використовують в різного роду генераторах електричних коливань. Позитивні О. с. з bf 0 < 1 застосовують для посилення деяких властивостей пристрою, наприклад для збільшення селективності і чутливості радіоприймача при регенеративному прийомі. Найважливішою властивістю негативною О. с. є те, що вона наближає функцію передачі пристрою до функції, зворотній функції передачі ланцюга О. с., і тим сильніше, чим більше глибина О. с. Тому її застосовують головним чином для стабілізації параметрів пристрою (наприклад, коефіцієнт посилення підсилювача електричних коливань) і зменшення нелінійних спотворень, що виникають в нім (у 1 — bf 0 раз). Окрім функції передачі, О. с. змінює вхідну і вихідну реакції пристрою с О. с. Негативна паралельна (послідовна) О. с. по напрузі (струму) зменшує (збільшує) відповідно вхідний і вихідний опір пристрою с О. с. Позитивна О. с. поводиться протилежним чином. Комплексну частотно-залежну О. с. застосовують для створення т.з. активних електричних фільтрів . Вона також дозволяє реалізувати в електричних і радіотехнічних пристроях елементи електричних ланцюгів, що не існують у вигляді фізичних приладів, наприклад елементи з негативною ємкістю і з негативною індуктивністю, гіратор (перетворювач повного опору, наприклад ємкісного в індуктивне) на будь-яку робочу частоту і елементи з електрично керованими параметрами (наприклад, у вигляді реактивної лампи ). Інколи така О. с. використовується для нейтралізації небажаною внутрішньою О. с. в електронних приладах.

  В одному пристрої незрідка застосовують одночасно декілька ланцюгів О. с. різного характеру. Як приклад можна привести ламповий підсилювач ( мал. 2 ) з комплексною частотно-залежною паралельною О.с. по напрузі, взаємною індуктивністю (т.з. трансформаторна О. с.), що реалізовується, і негативною послідовною О. с. по струму, здійснюваною резистором. На частоті, рівній резонансній частоті коливального контура, трансформаторна О. с. стає позитивною. Якщо її петлеве посилення < 1 (з врахуванням дії негативною О. з), то весь пристрій працює як регенеративний підсилювач, в якому негативна О. с. стабілізує глибину покладе. О. с. і тим самим стабілізує коефіцієнт посилення і смугу пропускання підсилювача. Якщо ж петлеве посилення ≥ 1, той пристрій працює як генератор електричних коливань, в якому негативна О. с. обмежує струм через електронну лампу і покращує форму коливань на виході, наближаючи її до синусоїдальної.

  Літ.: Брауде Р. Ст, Корекція телевізійних і імпульсних сигналів, Сб. ст., М. 1967; Цикин Р. С., Підсилювальні пристрої, 4 видавництва, М., 1971.

  Л. І. Фрейдін.

  Зворотний зв'язок в біології. Існування систем регулювання с О. с. просліджується на всіх рівнях організації живого — від молекулярного до популяції і біоценотичного. Особливо значителен вклад цього механізму у автоматичну підтримку постійності внутрішніх середовищ організму — гомеостазу, в діяльність генетичного апарату, ендокринної і нервової систем.

  Уявлення про регулювання за принципом О. с. з'явилися в біології давно. Вже перша гіпотеза про рефлекторні реакції (Р. Декарт, 17 ст, Й. Прохаська, 18 ст) містила передумови цього принципу. У чіткішій формі ці вистави були розвинені в роботах Ч. Бела, І. М. Сеченова і І. П. Павлова, а пізніше — в 30—40-х рр. 20 ст Н. А. Бернштейном і П. До. Анохиним . У якнайповнішому і ближчому до сучасного його розуміння вигляді принцип О. с. (негативною) — як загальний принцип для всіх живих систем — був сформульований російським фізіологом Н. А. Беловим (1912—24) під назвою «Паралельно-перехресної взаємодії» і експериментально вивчений на ендокринних органах М. М. Завадовським, що назвав його «плюс — мінус взаємодією». Белов показав, що негативна О. с. — загальний принцип, що забезпечує тенденцію до рівноваги в будь-яких (не лише живих) системах, але, як і Завадовський, вважав, що в живих системах неможливе існування позитивних О. с. Радянським ученим А. А. Маліновським було показано наявність в живих системах всіх типів О. с. і сформульовані відмінності їх пріспособітельського значення (1945—60). За кордоном О. с. в біології почали широко досліджувати після появи в 1948 книг Н. Вінера «Кібернетика». У СРСР в 50—60-х рр. 20 ст І. І. Шмальгаузен успішно застосував уявлення про О. с. в генетиці популяції.

  В живих системах слід розрізняти О. с. типа взаємній стимуляції (позитивна О. с.) або придушення у відповідь на стимуляцію (негативна О. с.), що піддаються хоч би наближеній колічественнной оцінці, і якісно складні О. с., коли, наприклад в онтогенезі, один орган сприяє диференціюванню іншого, а останній, на новому етапі, визначає якісно розвиток першого. Загальні принципи О. с. сформульовані в основному для стосунків першого типа. Негативна О. с. забезпечує підтримку системи в стійкій рівновазі, т.к. увеліченіє дії органу, що управляє, на об'єкт (регульований орган, систему, процес) викликає протилежна дія об'єкту на орган, що управляє. Фізіологічний сенс негативною О. с. полягає в тому, що збільшення регульованої величини (наприклад, активності органу) понад якусь межу викликає знижуючу дію з боку зв'язаної з нею підсистеми; різке зменшення регульованої величини обумовлює протилежна дія. При позитивній О. с. інформація про збільшення регульованої величини викликає в пов'язаній з нею підсистемі реакцію, що забезпечує подальше збільшення цієї величини. У високоорганізованих тварин діяльність центральної нервової системи в нормі завжди включає як необхідна умова наявність О. с. Так, будь-яка дія тварини, наприклад гонитва за видобутком, супроводиться імпульсами що поступають від центральної нервової системи до м'язів (біг, схоплювання видобутку), і зворотними сигналами від органів чуття (зір, пропріорецептори і ін.), що дозволяють враховувати результати зусиль і коректувати їх у зв'язку з ходом подій.

   Саморегуляція процесів життєдіяльності також обумовлена О. с. Так, підйом артеріального тиску вище норми сприймається спеціальними рецепторами (наприклад, барорецепторами каротидного синуса ), які сигналізують про це у вазомоторні центри нервової системи. Це приводить до виникнення відцентрових імпульсів, ведучих до зниження тиску (див. Кровообіг ). Подібний процес — приклад негативною О. с., найчастіше спостережуваною в стабільних живих системах. Більшість регуляторних систем тваринних і рослинних організмів працюють за цим принципом. Позитивна О. с. переважають в період ембріонального розвитку.

  Багато процесів в екології, наприклад регуляція динаміки популяцій, також засновані на позитивній і негативній О. с. Так, особливий випадок негативною О. с. є розглянута італійським математиком Ст Вольтерра система хижак — жертва. Збільшення чисельності жертв сприяє посиленому розмноженню хижаків, а зростання чисельності останніх, навпаки, — зниженню чисельності жертв. Хоча таким чином рівновага і підтримується в природі, по завдяки запізненню в розмноженні тварин воно набуває форми хвиль життя — широких коливань чисельності тварин довкола середнього рівня.

  На молекулярному рівні за принципом О. с. регулюється величезне число ферментативних реакцій, що одночасно протікають в живій клітині. Координація цієї складної взаємозв'язаної системи здійснюється шляхом зміни активності ферментів (негативну О. с. здійснюють інгібітори, позитивну — стимулятори) або швидкості їх синтезу (О. с. здійснюють еффектори; див.(дивися) Оперон ).

  Комбінації позитивних і негативних О. с. обумовлюють альтернативну зміну фізіологічних станів (наприклад, сон — неспання). Вивчення кривої розвитку патологічних процесів неінфекційного характеру (трофічні виразки, гіпертонія, маніакально-депресивний психоз, епілепсія і т.д.) дозволяє, виходячи з результату, визначити найбільш вірогідного типа О. с., лежачий в основі захворювання, і обмежити вивчення його етіології і патогенезу механізмами певній категорії. Живі об'єкти як найбільш досконалі саморегульовані системи багаті різними типами О. с.; вивчення останніх — вельми продуктивно для дослідження біологічних явищ і встановлення їх специфічності.

  Літ.: Маліновський А. А., Типи біологічних систем, що управляють, і їх пристосовне значення, в збірці: Проблеми кібернетики № 4, М., 1961, с. 151—181; Регуляторні механізми клітки, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Петрушенко Л.А., Принцип зворотного зв'язку, М., 1967: Вінер Н., Кібернетика або управління і зв'язок в тварині і машині, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Шмальгаузен І. І., Кібернетичні питання біології, Новосибірськ, 1968.

  А. А. Маліновський.

Мал. 1. Схеми підсилювачів з різними видами ланцюгів зворотного зв'язку: а — послідовний зворотний зв'язок по струму; б — послідовний зворотний зв'язок по напрузі; у — паралельний зворотний зв'язок по струму; г — паралельний зворотний зв'язок по напрузі. 1 — підсилювач електричних коливань; 2 — ланцюг зворотного зв'язку (стрілкою показаний напрям поширення сигналу по ланцюгу зворотного зв'язку від її вхідних затисків до вихідним): Z іст — повний опір джерела сигналу Е іст ; Z нагр — повний опір навантаження підсилювача.

Мал. 2. Ламповий підсилювач електричних коливань із зворотним зв'язком: U вх — напруга на вході підсилювача; Л — електронна лампа; R — резистор в ланцюзі катода лампи; L і З — відповідно індуктивність і ємкість коливального контура в ланцюзі анода лампи; М-код — взаємна індуктивність, що зв'язує ланцюги анода і сітки лампи, що управляє; U вих — напруга на виході підсилювача; E а — напруга анодного живлення.