Управление в любой системе — технической, биологической или социальной — невозможно без передачи информации. Как правило, эта информация передаётся в виде закодированных сигналов по каналам связи. В процессе управления выделяются два основных типа сигналов: управляющие (или командные), которые отдают приказы объекту, и информационные, которые сообщают о реакции объекта на команду. Для их передачи существуют соответствующие пути: прямая связь — от управляющего центра к объекту, и обратная связь — от объекта обратно к управляющему центру. Чтобы понять их суть, рассмотрим наглядный пример.
Пример из жизни: рефлекс отдергивания руки
Представьте, что вы случайно дотронулись до горячего утюга. Прежде чем мозг осознает боль, рука уже рефлекторно отдергивается. Как это происходит? Прикосновение к горячей поверхности активирует нервные окончания в коже, которые посылают в центральную нервную систему (ЦНС) сигнал об опасности. ЦНС, получив этот сигнал, мгновенно формирует ответную команду — нервный импульс, идущий к мышцам руки. Мышцы сокращаются, и рука отдергивается. В этой схеме ЦНС выступает в роли управляющего центра, рука — объект управления, нервные волокна — каналы связи. Сигнал от ЦНС к мышцам — это прямая связь, а сигнал от кожи к ЦНС — обратная связь, сообщающая о состоянии объекта.
Зачем нужна обратная связь?
Отдать команду — это только половина дела. Для эффективного управления критически важно знать, как именно эта команда была выполнена и к какому результату привела. Именно эту функцию и выполняет обратная связь. Сигналы, поступающие по её каналам, несут информацию о корректности выполнения приказа и текущем состоянии управляемого процесса. Если управление осуществляет человек, он может оценивать результат визуально или с помощью приборов. Но в автоматических системах (см. Автомат, автоматика) эту роль берёт на себя специальный механизм, и обратная связь становится абсолютно необходимой.
Обратная связь в технике: регулятор Уатта
Классическим примером является регулятор Уатта, поддерживающий постоянную частоту вращения вала паровой машины. Если вал начинает вращаться слишком быстро, центробежные шары регулятора расходятся в стороны. Это движение через систему рычагов передаётся на клапан, уменьшая подачу пара в машину. Вращение замедляется. И наоборот, при снижении скорости шары сближаются, открывая клапан и увеличивая подачу пара. Здесь прямое воздействие — это вращение вала, а ответная реакция (изменение положения клапана) — результат работы цепи обратной связи.
Виды обратной связи: положительная и отрицательная
Действие обратной связи может приводить к двум противоположным эффектам: усилению или ослаблению управляемого процесса.
Положительная обратная связь усиливает исходный процесс. Она является обязательным элементом любого генератора электрических колебаний, так как именно благодаря ей в системе поддерживаются незатухающие колебания, компенсируя неизбежные потери энергии.
Отрицательная обратная связь, наоборот, ослабляет процесс, стабилизируя систему. Все автоматические регуляторы работают на её основе. Сердцем такого регулятора является датчик (чувствительный элемент), который отслеживает изменения контролируемого параметра — скорости, уровня, температуры.
Пример регулятора с отрицательной обратной связью
Рассмотрим поплавковый регулятор уровня воды. Поплавок, плавающий на поверхности, выступает в роли датчика. Если уровень воды поднимается выше заданного, поплавок поднимается и через рычаг прикрывает заслонку, перекрывая приток воды. Когда уровень падает, поплавок опускается и открывает заслонку. Таким образом, система сама поддерживает постоянный уровень, используя обратную связь для коррекции своего состояния.
Итак, благодаря механизму обратной связи система управления получает возможность не только отслеживать, но и автоматически корректировать состояние объекта, либо поддерживая его постоянным, либо изменяя по заданному алгоритму.