Обратная связь

Обратная связь

Воздействие выходной величины 
какой-либо системы на вход этой же системы.

От конца к началу

Звали его Гемфри Поттер. У него был скорее всего деятельный характер, и он не любил однообразия. Именно поэтому мальчику надоела та работа, которую он выполнял на одной из английских шахт, когда там откачивали воду: Гемфри Поттер открывал и закрывал краны парового котла.

Почему он это делал? Да потому, что два с половиной века назад - тогда-то и жил Гемфри - паровой котел работал несколько отлично от современного.

Пар из котла поднимал поршень в цилиндре. Гемфри закрывал кран для пара. И тут же открывал другой кран, откуда в цилиндр шла холодная вода. Пар конденсировался, образовывалась пустота, атмосферное давление давило на поршень, он шел вниз, передавая свое движение насосу. Потом Гемфри Поттер опять открывал и закрывал поочередно краны... И так целый день-деньской.

Согласитесь, работа не из интересных. И, естественно, она ему надоела. Сообразительный мальчик решил освободить себя от нее. Он соединил веревочками краны со штоком поршня. При движении штока вверх или вниз веревочки натягивались и открывали или закрывали краны в нужной последовательности.

В технике есть условные, специфические понятия "вход" и "выход" у машины. У паровой машины вход - это подача пара, а выход - движение поршня. Теперь вам будет понятно строго научное определение, которое дано в начале раздела. Когда вход с выходом связаны, осуществляется обратная связь.

Это и сделал, как говорит легенда, английский мальчик Гемфри Поттер. Он открыл обратную связь, нащупал систему автоматического регулирования.

Обратная связь - основа основ современной техники. Трудно назвать

какую-либо ее область, где бы не нашла применения обратная связь. Регуляторы температуры поддерживают нужную температуру. Регуляторы давления - заданное давление. Регуляторы скорости - требуемое число оборотов вала. Регуляторы напряжения - постоянство напряжения в электросети.

И всегда и везде регулятор с обратной связью чрезвычайно "'внимателен" и "пунктуален". Все операции, которые он обязан делать, регулятор производит с нечеловеческой точностью.

Можно привести много примеров разнообразных систем автоматического регулирования. Они различны по конструкции, принципу действия и назначению, но взаимодействие между управляющим устройством- регулятором - и управляемым объектом однотипно.

Обобщенная схема устройств с обратной связью

Перед вами схема регулятора уатта. В течение почти двухсот лет этот механизм служит примером изящества и простоты обратной связи.

Вспомните, как Джеймс Уатт построил паровую машину с центробежным регулятором скорости, который приводился в движение от работы вала машины. Так вот, в этой машине в зависимости от числа оборотов вала шары регулятора под действием центробежной силы расходятся то больше, то меньше. С ними соединена подвижная муфта. Через систему рычагов она передвигает задвижку трубы.

Регулятор Уатта - пример изящества и простоты системы с обратной связью

Регулятор настраивается на заданное число оборотов вала. Если почему-либо скорость вала увеличилась, шары разойдутся, потянут муфту вверх - задвижка опустится. В машину начнет поступать меньше пара, и число оборотов вала снизится до нормы.

Если, наоборот, вал начал вращаться медленнее, чем нужно, регулятор поднимает задвижку, и поступление пара в машину увеличивается - увеличивается до нормы и число оборотов вала.

На примере машины Уатта показана схема управления с обратной связью. Здесь, в системе автоматического регулирования, паровая машина - управляемый объект. Через систему рычагов и задвижку - это прямая связь - регулятор посылает управляемому объекту сигнал управления: выход регулятора воздействует на вход объекта. Через вертикальный валик - он осуществляет обратную связь - регулятор получает от машины сигнал о результате своего управляющего действия: теперь выход управляемого объекта "докладывает о своем поведении" на вход регулятора. Получается своего рода замкнутый круг, некое "кольцо связи".

Некоторые специалисты образно сравнивают обратную связь с двумя сердитыми друг на друга собаками. Одна из них, допустим черная, кусает за хвост белую собаку. А белая, не захотев уступить противнику, кусает за хвост черную. Тот же круговой процесс, в котором одна собака является цепью обратной связи по отношению к другой.

Такая обратная связь называется положительной. В ней протекает нарастающий процесс обратного действия. Еще одним примером здесь могут служить тормозные системы с внешним источником энергии. В них применяются специальные устройства, отзывающиеся (реагирующие) на небольшие перемещения, которые производят вручную. Эти перемещения продолжаются до тех пор, пока тормозное усилие не станет достаточным для остановки движущейся машины.

Обратную связь, где процесс затухает, уменьшается, называют отрицательной. Она-то чаще всего и применяется в автоматических регуляторах- и в регуляторах температурных уровней, и в регуляторах числа оборотов, и в регуляторах давлений, и т. п.

Допустим, в электропечи вдруг повысилась температура, стала больше, чем нужно для плавки металла. Автоматический регулятор действует "отрицательно" - он уменьшает подачу электроэнергии. А если температура в печи понизилась, регулятор опять срабатывает "отрицательно"- он тут же увеличивает подачу электроэнергии.

Сколько бы ни приводилось еще примеров, они ничего не добавят к сказанному об обратной связи. Всегда перед нами будет регулятор, настроенный на определенное число оборотов или определенный режим, который при его нарушении посылает сигнал управления, а обратная связь доставляет регуляторам сигналы о результате управляющего воздействия.

С появлением кибернетики границы применения понятия "обратная связь" неизмеримо расширились, распространившись на такие "нетехнические" науки, как биология или экономика.

Обратные связи: в двигателе внутреннего сгорания-механическое устройство; в регенеративном радиоприемнике - электрическое устройство; регуляторы уровня и температуры - устройства с отрицательной обратной связью

Пожалуй, самой сложной системой с обратными связями является живой организм. Сколько в нем регуляторов и управляемых объектов! Сколько в нем взаимосвязанных положительных и отрицательных обратных связей! Со сколькими наитруднейшими задачами приходится организму справляться: распределять мышечные нагрузки, чтобы сохранять заданное положение тела; реагировать на малейшие отклонения давления в кровеносных сосудах; "отвечать" на жару и холод; следить за сохранением в норме кислот, щелочей и множества других веществ; контролировать бесперебойную работу сердца, почек, печени, легких!

И чем биологически сложнее организм, тем более сложны и многообразны его "автоматические регуляторы". Можно сказать, что обратная связь не только участвует в физиологических явлениях, но и совершенно необходима для продолжения жизни. Без нее жизнь невозможна!

Да, в самых различных областях действуют обратные связи. Это позволило ученым-кибернетикам говорить об универсальности, всеобщности понятия "обратная связь", о том, что она действует везде, где машины и системы, соединившись между собой, образуют нечто новое. Причем это соединение, эти новые системы должны быть органичными, сохраняющими индивидуальные, прежние черты и дающие новое качество.

От конца к началу