Обратная связь (ОС). Виды и применение. Работа и особенности

Самые распространенные области практического использования, в которых обратная связь (ОС) проявляется наиболее полно и наглядно – это электротехника и электроника. В них она обнаруживает себя как определенный вид электрического или э/м воздействия, осуществляемого с выхода схемы на ее входные цепи с целью корректировки текущих параметров. Схематически и функционально ОС чаще всего представляется в виде петлеобразной цепочки, охватывающей данное устройство.

В более общей формулировке под обратной связью понимается воздействие результатов функционирования любой системы (включая живые организмы) на исходные условия. Ее введение в данном случае позволяет повысить эффективность действий оцениваемого объекта или улучшить характеристики управляемого процесса.

Обратная связь в схематическом представлении

При рассмотрении схемного представления того или иного объекта/процесса с ОС обязательно принимаются во внимание следующие важные моменты:

Сигнал обратной связи всегда снимается с выхода функционирующего объекта.
Нередко она подается не только на вход системы, но и на ее промежуточную часть.
При анализе поведения данного объекта или процесса обязательно учитывается основное воздействие, для корректировки которого и вводится обратная связь.

Изображенная на рисунке цепочка AB, используемая для передачи ОС, называется каналом обратной связи.

Obratnaia sviaz 2

Эта цепь в различных вариантах исполнения электронных или электротехнических схем может быть выполнена в виде самостоятельного устройства (D). В подобных случаях принято говорить, что обратная связь реализуется через посредство системы «D».

Obratnaia sviaz 3

Существующие разновидности

ОС – один из простейших способов стабилизации параметров преобразовательных устройств и основное понятие теории автоматического управления. Примеры реализации возможностей этого технического приема встречаются повсеместно и могут относиться к различным сферам человеческой жизни.

Обратная связь как особая процедура воздействия применима к следующим процессам:

Преобразование сигналов в электрических цепях.
Функционирование живых организмов.
Развитие экономического сектора государства и т. п.

В каждом из этих направлений обратная связь поддерживает стабильность системы/процесса и повышает их защищенность от опасных внешних воздействий. Универсальность такого воздействия позволяет использовать его в практических применениях самого различного рода. В большинстве из них вводятся понятия «положительной» и «отрицательной» ОС, различающихся по способу своей реализации и достигаемому результату.

Положительная ОС улучшает параметры системы, ответственные за повышение эффективности ее работы (в электротехнике и электронике – за усиление сигнала). Отрицательная ОС, напротив, снижает эти показатели, но зато повышает устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям.

Обратная связь в усилительных электронных схемах

Первые попытки применения отрицательной ОС в усилительных схемах на лампах были предприняты еще в 1928 году. Тогда же группа авторов попробовала запатентовать этот вид управления усилительным трактом, но потерпела неудачу. Специалисты и эксперты не увидели в ней никакой пользы, поскольку отрицательное воздействие заметно снижало коэффициент усиления устройства.

Значительно позже был доказан следующий важный факт. Одновременно с ухудшением усилительных характеристик отрицательная ОС повышает устойчивость схемы к изменению питающего напряжения и к варьированию величины нагрузочного сопротивления. Все это приводило к заметному снижению нелинейных искажений и расширяло диапазон усиливаемых частот (другими словами – улучшало передаточные характеристики устройства).

Виды ОС в электронике

В зависимости от параметра, по которому реализуется ОС в усилительных электронных схемах, она может иметь следующие разновидности:

По току.
По напряжению.
Комбинированная.

В первом случае в качестве регулируемого параметра усилительной цепи выбирается токовая составляющая, а во втором – напряжение на выходе и во входной цепи электронной схемы. При их использовании добиваются увеличения коэффициента усиления по току или напряжению соответственно (положительная ОС).

Obratnaia sviaz 4

Если ставится задача повышения устойчивости работы схемы с одновременным снижением показателя усиления – применяется отрицательная обратная связь по тому или другому параметру. Для компенсации недостатка усиления данной схемы в нее, как правило, вводится еще один каскад. При третьем способе управления работой усилительного устройства в нем организуется ОС как по току, так и по напряжению.

ОС в живых организмах

В основу биологической самоорганизации человеческого тела заложена сложность и разветвленность его структуры, а также многообразие обратных связей, проявляющихся на всех уровнях. Отрицательные ОС, действующие на соматическом уровне, обеспечивают стабильность функционирования организма, а также его устойчивость к неблагоприятным воздействиям.

Обратные связи составляют основу таких важных регулирующих механизмов в теле человека, какими являются энергетический и метаболический баланс, гомеостаз, а также управление численностью существующих популяций. Наличие ОС в живом организме сам человек обнаружить не в силах. Как правило, мы не контролируем действия биологических механизмов внутри нас, поскольку они происходят без участия нашего сознания.

Проявления могут быть представлены в следующих формах:

Внутренние процессы, благодаря которым количество содержащихся в теле веществ меняется в зависимости от его физического и соматического состояния.
Действие механизма гомеостаза, обеспечивающее поддержание энергетического и метаболического баланса.
Самостоятельное регулирование желудочного отделения соков, сопровождающееся возбуждением соответствующих желез и т. п.

В качестве характерного примера обычно рассматривается сердечная недостаточность, снижающая уровень кровоснабжения миокарда и ослабляющая его сокращения.

Помимо соматических связей в животном организме ОС проявляется и в его повседневном поведении. По утверждению «отца» кибернетики Н. Винера, ОС в сознании человека позволяют ему регулировать свое поведение, основываясь на полученном ранее жизненном опыте.

Для каких целей применяется обратная связь в электронике и электротехнике

В системах с АРУ ОС нередко используется в виде дополнительного управляющего воздействия, позволяющего повысить стабильность работы данной схемы или устройства. Одна из задач, решаемых с помощью обратной связи – снижение вредных влияний переходных процессов, протекающих в любой системе.

Необходимость в этом возникает практически во всех устройствах, что объясняется инерционностью происходящих в природе процессов. В электронике и электротехнике, в частности, переходные явления чаще всего наблюдаются в моменты включения и выключения устройства.

Электронные усилительные схемы

В электронных схемах с усилительным трактом обратная связь нередко выполняет функцию коррекции частотной характеристики устройства. Для этого она образуется частотно-зависимыми цепями, состоящими из реактивных элементов (индуктивностей и емкостей). В данном случае эти компоненты выполняют функцию фильтрующих цепочек, пропускающих колебания одних частот и не пропускающие другие.

При организации такой связи выделяют несколько типов избирательных схем, подразделяющихся на жесткие, гибкие и нелинейные цепи. Каждая из этих разновидностей может быть представлена соответствующей ей графической зависимостью.

ОС в электроприводах

Основные требования, предъявляемые к рабочим характеристикам современных электроприводов, это:

Точность управления исполнительным узлом.
Достаточное быстродействие.
Постоянство статических и динамических показателей.

Выполнение этих требований невозможно без использования в схеме управления глубокой обратной связи по трем определяющим работу электропривода параметрам. К ним относятся передающий момент, угол его действия и величину ускорения при запуске двигателя.

Электропривод, охваченный глубокой ОС, как правило, состоит из следующих основных узлов:

САУ (система управления).
Трансформаторы тока, частоты и напряжения.
Преобразователи энергии электросети в механическую (вращательную) форму.

Первая из этих составляющих при работе электропривода вырабатывает сигнал рассогласования, а также формирует управляющие воздействия с целью получения требуемых статических и динамических показателей.

Трансформирующий узел преобразует электрическую энергию сети по соответствующему параметру в сигналы для управления работой электродвигателя. Последний из перечисленных элементов, как правило, изготавливается в виде электродвигателя постоянного тока. В отдельных случаях в состав системы с ОС включают механическую часть передаточного устройства (редуктор) и сам объект управления. Помимо этого в ней может присутствовать и специальный измерительный узел, также охваченный глубокой ОС.