ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ обратное воздействие
результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий
орган. О. с. характеризует системы регулирования и управления в живой природе,
обществе и технике. Различают положительную и отрицательную О. с. Если
результаты процесса усиливают его, то О. с. является положительной. Когда
результаты процесса ослабляют его действие, то имеет место отрицательная
О. с. Отрицательная О. с. стабилизирует протекание процессов. Положительная
О. с., напротив, обычно приводит к ускоренному развитию процессов и к колебательным
процессам. В сложных системах (напр., в социальных, биологических) определение
типов О. с. затруднительно, а иногда и невозможно. О. с. классифицируют
также в соответствии с природой тел и сред, посредством к-рых они осуществляются:
механическая (напр., отрицательная О. с., осуществляемая центробежным
регулятором Уатта в паровой машине); оптическая (напр., положительная
О. с., осуществляемая оптическим резонатором в лазере), электрическая
и т. д. Иногда О. с. в сложных системах рассматривают как передачу информации
о протекании процесса, на основе к-рой вырабатывается то или иное управляющее
воздействие. В этом случае О. с. называют информационной. Понятие О. с.
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 осн. цепи воздействий (передачи информации). Этим участком может
быть как управляемый объект, так и любое звено автоматич. системы (либо
совокупность звеньев). Осн. цепь воздействий - условно выделяемая цепь
прохождения сигналов от входа к выходу автоматич. системы. О. с. образует
путь передачи воздействий в дополнение к осн. цепи воздействий или к.-л.
её участку.

Благодаря О. с. результаты функционирования
автоматич. системы воздействуют на вход этой же системы или, соответственно,
её части, влияют на характер их функционирования и математич. 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. с. может содержать одно
или неск. звеньев, осуществляющих преобразование выходного сигнала осн.
цепи воздействий по заданному алгоритму. Пример цепи О. с. - управляющее
устройство (напр., автоматич. 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. с. в виде управляющего устройства,
цепь воздействия замыкается; такая О. с. называется обычно главной.

О. с. является фундаментальным понятием
кибернетики,
особенно
теории управления и теории информации; О. с. 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 О. с. к оператору
или автоматич. управляющему устройству.

Отрицательная О. с. широко используется
в замкнутых автоматич. 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. с. 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 динамич. свойств
и т. п.

По виду преобразования воздействия в цепи
О. с. различают жёсткую (статич.), дифференцирующую (гибкую, упругую) и
интегрирующую О. с. Жёсткая О. с. 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 (исчезающимисо временем) или со статизмом. Связи без статизма
проявляются только в динамике, так как в их математич. модели не участвует
входное воздействие, а фигурируют лишь его производные, стремящиеся к нулю
с окончанием переходных процессов. В состав интегрирующей О. с. входит
интегрирующее звено, накапливающее со временем поступающие воздействия.

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

Лит.: Хэммонд П. X., 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. Электрич. цепь, по к-рой сигнал
с выхода устройства подаётся на вход, наз. цепью О. с. Чаще всего устройство
можно представить в виде эквивалентной электрич. 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


где Fбез О. с.; (3 - функция передачи цепи О. с.; bFусиление; 1 - bF


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

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

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

По способу подключения цепей О. с. ко входу
и выходу устройства различают последовательную и параллельную О. с., если
выход цепи О. с. подключён последовательно (рис. I, а, б)
или параллельно
(рис. 1, в, г) источнику сигнала, и с м е ш а н н у ю (комбинированную)
п о входу, если подключение цепей О. с. к источнику сигнала последовательно-параллельное.
Различают также О. с. по напряжению и по току, если напряжение или ток
на входе цепи О. с. пропорциональны соответственно напряжению на нагрузочном
сопротивлении (рис. 1, б, г)
или току в нём (рис. 1, а, в), и
О. с. смешанную (комбинированную) по выходу, если подключение цепей О.
с. к нагрузочному (выходному) сопротивлению последовательно-параллельное.
О. с., при к-рой 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); ZZ


Свойства и применение обратной связи.
В
устройстве с положит. О. с. при петлевом усилении >= 1 могут возникнуть
автоколебания, что и используют в различного рода генераторах электрич.
колебаний. Положит. О. с. с bFнек-рых свойств устройства, напр, для увеличения селективности и чувствительности
радиоприёмника при регенеративном приёме. Важнейшим свойством отрицат.
О. с. является то, что она приближает функцию передачи устройства к функции,
обратной функции передачи цепи О. с., и тем сильнее, чем больше глубина
О. с. Поэтому её применяют гл. обр. для стабилизации параметров устройства
(напр., коэфф. усиления усилителя электрич. колебаний) и уменьшения возникающих
в нём нелинейных искажений (в 1 - bFО. с. изменяет входную и выходную реакции устройства с О. с. Отрицат. параллельная
(последовательная) О. с. по напряжению (току) уменьшает (увеличивает) соответственно
входное и выходное сопротивление устройства с О. с. Положит. О. с. ведёт
себя противоположным образом. Комплексную частотно-зависимую О. с. применяют
для создания т. н. активных электрических фильтров. Она также позволяет
реализовать в электрич. и радиотехнич. устройствах элементы электрич. цепей,
не существующие в виде физич. приборов, напр, элементы с отрицат. ёмкостью
и с отрицат. индуктивностью, гиратор (преобразователь полного сопротивления,
напр, ёмкостного в индуктивное) на любую рабочую частоту и элементы с электрически
управляемыми параметрами (напр., в виде реактивной лампы). Иногда
такая О. с. используется для нейтрализации нежелательной внутренней О.
с. в электронных приборах.

В одном устройстве нередко применяют одновременно
неск. цепей О. с. различного характера. В качестве примера можно привести
ламповый усилитель (рис. 2)
Рис. 2. Ламповый усилитель электрических
колебаний с обратной связью: t/Л - электронная лампа; R - резистор в цепи катода лампы; L н С - соответственно
индуктивность п ёмкость колебательного контура в цепи анода лампы; М -
взаимная индуктивность, связывающая цепи анода и управляющей сетки лампы;
Uанодного питания.

с комплексной частотно-зависимой параллельной
О.с. по напряжению, реализуемой взаимной индуктивностью (т. н. трансформаторная
О. с.), и отрицат. последоват. О. с. по току, осуществляемой резистором.
На частоте, равной резонансной частоте колебат. контура, трансформаторная
О. с. становится положительной. Если её петлевое усиление < 1 (с учётом
действия отрицат. О. с ), то всё устройство работает как регенеративный
усилитель, в к-ром отрицат. О. с. стабилизирует глубину положит. О. с.
и тем самым стабилизирует коэфф. усиления и полосу пропускания усилителя.
Если же петлевое усиление >= 1, то устройство работает как генератор электрич.
колебаний, в к-ром отрицат. О. с. ограничивает ток через электронную лампу
и улучшает форму колебаний на выходе, приближая её 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.



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

Представления о регулировании по принципу
О. с. появились в биологии давно. Уже первая гипотеза о рефлекторных реакциях
(Р. Декарт, 17 в., И. 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 совр. его пониманию виде принцип О. с. (отрицательной)
- как общий принцип для всех живых систем - был сформулирован рус. физиологом
Н. А. Беловым (1912-24) под назв. "параллельно-перекрёстного взаимодействия"
и экспериментально изучен на эндокринных органах М. М.
Завадовским,
назвавшим
его "плюс - минус взаимодействием". Белов показал, что отрицат. О. с.-
общий принцип, обеспечивающий тенденцию к равновесию в любых (не только
живых) системах, но, как и Завадовский, считал, что в живых системах невозможно
существование положит. О. с. Сов. учёным А. А. Малиновским было показано
наличие в живых системах всех типов О. с. и сформулированы различия их
приспособит, значения (1945-60). За рубежом О. с. в биологии начали широко
исследовать после появления в 1948 книги Н. Винера "Кибернетика".
В СССР в 50-60-х гг. 20 в. И. И. Шмалъгаузен
успешно применил представление
об О. с. в популяционной генетике.

В живых системах следует различать О. с.
типа взаимной стимуляции (положительная О. с.) или подавления в ответ на
стимуляцию (отрицательная О. с.), поддающиеся хотя бы приближённой количеств,
оценке, и качественно сложные О. с., когда, напр. в онтогенезе,
один
орган способствует дифференцировке другого, а последний, на новом этапе,
определяет качественно развитие первого. Общие принципы О. с. сформулированы
в основном для отношений первого типа. Отрицат. О. с. 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. Физиологич. смысл отрицат. О.
с. заключается в том, что увеличение регулируемой величины (напр., активности
органа) сверх некоего предела вызывает понижающее воздействие со стороны
сопряжённой с нею подсистемы; резкое уменьшение регулируемой величины обусловливает
противоположное воздействие. При положит. О. с. информация об увеличении
регулируемой величины вызывает в связанной с нею подсистеме реакцию, обеспечивающую
дальнейшее увеличение этой величины. У высокоорганизованных животных деятельность
центр, нервной системы в норме всегда включает как необходимое условие
наличие О. с. Так, любое действие животного, напр, погоня за добычей, сопровождается
импульсами, поступающими от центр, 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. с. Так, подъём артериального давления выше нормы воспринимается
спец. рецепторами (напр., оарорецепторами каратидиого синуса), к-рые
сигнализируют об этом в вазомоторные центры нервной системы. Это приводит
к возникновению центробежных импульсов, ведущих к снижению давления (см.
Кровообращение').
Подобный
процесс - пример отрицат. О. с., наиболее часто наблюдаемой в стабильных
живых системах. Большинство регуляторных систем животных и растит, организмов
работает по этому принципу. Положит. О. с. преобладают в период эмбрионального
развития.

Мн. процессы в экологии, напр, регуляция
динамики популяций, также основаны на положит, и отрицат. О. с. Так, особый
случай отрицат. О. с. представляет собой рассмотренная итал. 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, но благодаря запозданию в размножении животных
оно приобретает форму волн жизни - широких колебаний численности
животных вокруг ср. уровня.

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

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

Лит.: Малиновский A. A. Типы управляющих
биологических систем и их приспособительное значение, в сб.: Проблемы кибернетики,
KQ 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.