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

Обратная связь 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. Обратная связь образует путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо её участку.

  Благодаря Обратная связь результаты функционирования автоматические системы воздействуют на вход этой же системы или, соответственно, её 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) Обратная связь может содержать одно или несколько звеньев, осуществляющих преобразование выходного сигнала основной цепи воздействий по заданному алгоритму. Пример цепи Обратная связь — 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 Обратная связь в виде управляющего устройства, цепь воздействия замыкается; такая Обратная связь называется обычно главной.

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

  Отрицательная Обратная связь 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 Обратная связь 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 Обратная связь различают жёсткую (статическую), дифференцирующую (гибкую, упругую) и интегрирующую Обратная связь Жёсткая Обратная связь содержит только пропорциональные звенья и её выходное воздействие пропорционально входному (как в статике, так и в динамике — в определённом диапазоне частот колебаний). Дифференцирующие связи содержат дифференцирующие звенья (простые, изодромные) и могут быть астатическими (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 Обратная связь входит интегрирующее звено, накапливающее со временем поступающие воздействия.

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

 

  Лит.: Хэммонд П. Х., Теория обратной связи и её 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.

Обратная связь в радиоэлектронных устройствах, воздействие сигнала с выхода устройства на его вход. Электрическая цепь, по которой сигнал с выхода устройства подаётся на вход, называется цепью Обратная связь 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 F_c устройства с Обратная связь может быть определена из формулы:

  где F₀ — функция передачи устройства без Обратная связь; b — функция цепи Обратная связь; bF₀ — петлевое усиление; 1 — bF₀ — глубина Обратная связь

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

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

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

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

Рис. 1. Схемы усилителей с различными видами цепей обратной связи: а — последовательная обратная связь по току; б — последовательная обратная связь по напряжению; в — параллельная обратная связь по току; г — параллельная обратная связь по напряжению. 1 — усилитель электрических колебаний; 2 — цепь обратной связи (стрелкой показано направление распространения сигнала по цепи обратной связи от её входных зажимов к выходным): Z_ист — полное сопротивление источника сигнала Е_ист; Z_нагр — полное нагрузочное сопротивление усилителя.

Свойства и применение обратной связи. В устройстве с положительной Обратная связь при петлевом усилении ≥ 1 могут возникнуть автоколебания, что и используют в различного рода генераторах электрических колебаний. Положительные Обратная связь с bF₀ < 1 применяют для усиления некоторых свойств устройства, например для увеличения селективности и чувствительности радиоприёмника при регенеративном приёме. Важнейшим свойством отрицательной Обратная связь является то, что она приближает функцию передачи устройства к функции, обратной функции передачи цепи Обратная связь, и тем сильнее, чем больше глубина Обратная связь Поэтому её применяют главным образом для стабилизации параметров устройства (например, коэффициент усиления усилителя электрических колебаний) и уменьшения возникающих в нём нелинейных искажений (в 1 — bF₀ раз). Кроме функции передачи, Обратная связь изменяет входную и выходную реакции устройства с Обратная связь Отрицательная параллельная (последовательная) Обратная связь по напряжению (току) уменьшает (увеличивает) соответственно входное и выходное сопротивление устройства с Обратная связь Положительная Обратная связь ведёт себя противоположным образом. Комплексную частотно-зависимую Обратная связь 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 ёмкостью и с отрицательной индуктивностью, гиратор (преобразователь полного сопротивления, например ёмкостного в индуктивное) на любую рабочую частоту и элементы с электрически управляемыми параметрами (например, в виде реактивной лампы). Иногда такая Обратная связь используется для нейтрализации нежелательной внутренней Обратная связь в электронных приборах.

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

Рис. 2. Ламповый усилитель электрических колебаний с обратной связью: U_вх — напряжение на входе усилителя; Л — электронная лампа; R — резистор в цепи катода лампы; L и С — соответственно индуктивность и ёмкость колебательного контура в цепи анода лампы; М — взаимная индуктивность, связывающая цепи анода и управляющей сетки лампы; U_вых — напряжение на выходе усилителя; E_a — напряжение анодного питания.

 

  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.

Обратная связь в биологии. Существование систем регулирования с Обратная связь 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 Обратная связь появились в биологии давно. Уже первая гипотеза о рефлекторных реакциях (Р. Декарт, 17 в., Й. Прохаска, 18 в.) содержала предпосылки этого принципа. В более чёткой 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 Обратная связь (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 Обратная связь — общий принцип, обеспечивающий тенденцию к равновесию в любых (не только живых) системах, но, как и Завадовский, считал, что в живых системах невозможно существование положительных Обратная связь Советским учёным А. А. Малиновским было показано наличие в живых системах всех типов Обратная связь и сформулированы различия их приспособительского значения (1945—60). За рубежом Обратная связь 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 Обратная связь в популяционной генетике.

  В живых системах следует различать Обратная связь типа взаимной стимуляции (положительная Обратная связь) или подавления в ответ на стимуляцию (отрицательная Обратная связь), поддающиеся хотя бы приближённой количественнной оценке, и качественно сложные Обратная связь, когда, например в онтогенезе, один орган способствует дифференцировке другого, а последний, на новом этапе, определяет качественно развитие первого. Общие принципы Обратная связь сформулированы в основном для отношений первого типа. Отрицательная Обратная связь 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 Обратная связь заключается в том, что увеличение регулируемой величины (например, активности органа) сверх некоего предела вызывает понижающее воздействие со стороны сопряжённой с нею подсистемы; резкое уменьшение регулируемой величины обусловливает противоположное воздействие. При положительной Обратная связь 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 Обратная связь 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 Обратная связь Так, подъём 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 Обратная связь, наиболее часто наблюдаемой в стабильных живых системах. Большинство регуляторных систем животных и растительных организмов работает по этому принципу. Положительная Обратная связь преобладают в период эмбрионального развития.

  Многие процессы в экологии, например регуляция динамики популяций, также основаны на положительной и отрицательной Обратная связь Так, особый случай отрицательной Обратная связь 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 Обратная связь регулируется огромное число ферментативных реакций, одновременно протекающих в живой клетке. Координация этой сложной взаимосвязанной системы осуществляется путём изменения активности ферментов (отрицательную Обратная связь осуществляют ингибиторы, положительную — стимуляторы) или скорости их синтеза (Обратная связь осуществляют эффекторы; см. Оперон).

  Комбинации положительных и отрицательных Обратная связь 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 Обратная связь, лежащий в основе заболевания, и ограничить изучение его этиологии и патогенеза механизмами определённой категории. Живые объекты как наиболее совершенные саморегулирующиеся системы богаты различными типами Обратная связь; 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.