Любой вид управления (будь то в технике, живом организме или в обществе) связан с передачей информации. Чаще всего информацию передают по каналам электрической связи с помощью условных сигналов — кода. Сигналы в системе управления обычно бывают двух родов: одни содержат команду или приказ сделать что-либо и называются управляющими, регулирующими, другие сообщают о выполнении команды или ответной реакции объекта управления. Для каждого вида сигналов имеются свои каналы связи: от управляющего объекта к управляемому (так подаются команды) и от управляемого объекта к управляющему (путь ответной информации). Эти каналы передачи информации получили названия: прямая и обратная связь. Чтобы лучше представить себе, что такое прямая и обратная связь, рассмотрим такой пример.
Вы протянули руку и нечаянно коснулись горячего утюга, но прежде, чем вы получили ожог, рука сама отдернулась от утюга. Что произошло? При прикосновении руки к горячей поверхности утюга в нервных волокнах, расположенных в коже, возник нервный импульс — сигнал опасности, поступающий в центральную нервную систему. По этому сигналу центральная нервная система вырабатывает «команду» — ответный нервный импульс, который направляется к мышцам руки. Получив эту команду, мышцы сокращаются и отдергивают руку от утюга.
В этом примере источник управляющих сигналов — центральная нервная система, объект управления — рука, каналы связи — нервные волокна, прямая связь — от центральной нервной системы к мышцам руки, обратная связь — от окончаний нервных волокон в коже руки к центральной нервной системе.
Дать команду и выполнить ее — это полдела. Чтобы наилучшим образом достичь цели управления, необходимо точно знать, как выполнен приказ. Вот тут-то и нужна обратная связь. Сигналы, поступающие по цепям обратной связи, несут информацию о правильности выполнения приказа и полученном результате.
Если тем или иным процессом управляет человек, то он сам может наблюдать (непосредственно или по приборам) и оценивать результаты своих действий. А в системах автоматического управления работой машин управляет автомат (см. Автомат, автоматика). И в этом случае обратная связь абсолютно необходима. Рассмотрим, например, как работает регулятор Уатта, с помощью которого частота вращения вала паровой машины поддерживается постоянной. Если вал машины, на котором расположен регулятор, начинает вращаться слишком быстро, то шары регулятора расходятся. В результате перемещаются рычаги, связывающие шары с клапаном подачи пара в машину, и прикрывают клапан, уменьшая подачу пара. Тотчас же частота вращения вала уменьшается. И наоборот: если вал машины вращается медленно, шары регулятора сближаются и рычаги открывают клапан, увеличивая доступ пара в машину. В этом примере прямое воздействие — вращение вала паровой машины, ответная реакция регулятора — открывание или закрывание клапана подачи пара.
Действие обратной связи проявляется двояко: управляемый, регулируемый процесс может либо усиливаться, либо ослабляться. Если, например, частота вращения вала машины в результате действия обратной связи непрерывно увеличивается, то такая обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь обязательна для любого генератора электрических колебаний, так как только благодаря ей в генераторе поддерживаются незатухающие колебания. Без положительной обратной связи из-за неизбежных потерь энергии генератор обязательно остановится.
Если результатом действия обратной связи является ослабление регулируемого процесса, то такая обратная связь называется отрицательной. Все, без исключения, автоматические регуляторы действуют с использованием отрицательной обратной связи. Каждый регулятор имеет чувствительный элемент — датчик, или первичный измерительный преобразователь, — устройство, которое чутко реагирует на изменения частоты вращения вала машины, уровня жидкости в баке, температуры в печи, концентрации кислоты в растворе. Например, в поплавковом регуляторе уровня воды в резервуаре — одном из простейших автоматических регуляторов — поплавок поднимается или опускается вместе с водой. Когда вода поднимается выше нужного уровня, поплавок поднимается вместе с ней и тянет за собой рычаг, который перемещает заслонку, закрывая доступ воды в резервуар. Тем самым достигается постоянство уровня воды в резервуаре. Так, благодаря обратной связи в системе автоматического управления объект управления как бы сам следит за своим состоянием и может посредством обратной связи либо изменять это состояние по определенному закону, либо получает возможность поддерживать его постоянным, неизменным.