بازخورد منفی

استفاده مجدد از خروجی برای تثبیت سیستم

یک سیستم بازخورد منفی ساده توصیفی است، به عنوان مثال، برخی از تقویت کننده های الکترونیکی. اگر بهره حلقه AB منفی باشد، بازخورد منفی است .

بازخورد منفی (یا بازخورد متعادل ) زمانی اتفاق می‌افتد که برخی از عملکردهای خروجی یک سیستم، فرآیند یا مکانیزم به گونه‌ای بازخورد می‌شود که تمایل به کاهش نوسانات در خروجی دارد، خواه ناشی از تغییرات در ورودی یا سایر اختلالات باشد. یک مثال کلاسیک از بازخورد منفی، ترموستات سیستم گرمایشی است - وقتی دما به اندازه کافی بالا می‌رود، بخاری خاموش می‌شود. وقتی دما خیلی سرد می شود، گرما دوباره روشن می شود. در هر مورد، "بازخورد" تولید شده توسط ترموستات روند را "نفی" می کند.

گرایش مخالف - به نام بازخورد مثبت - زمانی است که یک روند به طور مثبت تقویت می شود و تقویت می شود، مانند حلقه "بازخورد" جیغ جیغ که می تواند زمانی رخ دهد که یک میکروفون بیش از حد به بلندگو نزدیک شود که همان صداهایی را که میکروفون می گیرد تقویت می کند. بالا، یا گرمایش سریع و ذوب نهایی یک راکتور هسته ای که دارای ضریب واکنش پذیری دمایی مثبت است .

در حالی که بازخورد مثبت از طریق رشد تصاعدی ، نوسان یا رفتار آشفته منجر به بی‌ثباتی می‌شود ، بازخورد منفی عموماً ثبات را افزایش می‌دهد. بازخورد منفی باعث ایجاد تعادل در تعادل می شود و اثرات آشفتگی ها را کاهش می دهد. حلقه‌های بازخورد منفی که در آن‌ها مقدار درستی از تصحیح با زمان‌بندی بهینه اعمال می‌شود، می‌توانند بسیار پایدار، دقیق و پاسخگو باشند.

بازخورد منفی به طور گسترده ای در مهندسی مکانیک و الکترونیک و همچنین در موجودات زنده استفاده می شود، ^{[1] [2]} و در بسیاری از زمینه های دیگر از شیمی و اقتصاد گرفته تا سیستم های فیزیکی مانند آب و هوا قابل مشاهده است. سیستم های بازخورد منفی عمومی در مهندسی سیستم های کنترل مورد مطالعه قرار می گیرند .

حلقه های بازخورد منفی نیز نقش مهمی در حفظ تعادل جوی در سیستم های مختلف روی زمین دارند. یکی از این سیستم های بازخوردی، تعامل بین تابش خورشیدی ، پوشش ابر و دمای سیاره است.

سطح گلوکز خون با مکانیسم بازخورد منفی در سطح ثابتی در بدن حفظ می شود. هنگامی که سطح گلوکز خون بیش از حد بالا باشد، پانکراس انسولین ترشح می کند و زمانی که سطح آن خیلی پایین است، لوزالمعده گلوکاگون ترشح می کند. خط صاف نشان داده شده نشان دهنده نقطه تنظیم هموستاتیک است. خط سینوسی نشان دهنده سطح گلوکز خون است.

توضیحات کلی

حلقه های بازخورد در بدن انسان

در بسیاری از سیستم‌های فیزیکی و بیولوژیکی، تأثیرات کیفی متفاوت می‌توانند با یکدیگر مخالفت کنند. به عنوان مثال، در بیوشیمی، یک مجموعه از مواد شیمیایی سیستم را به یک جهت معین هدایت می کند، در حالی که مجموعه دیگری از مواد شیمیایی آن را در جهت مخالف هدایت می کند. اگر یکی یا هر دوی این تأثیرات متضاد غیر خطی باشند، نقطه تعادل حاصل می شود.

در زیست شناسی ، این فرآیند (به طور کلی، بیوشیمیایی ) اغلب به عنوان هموستاز شناخته می شود . در حالی که در مکانیک ، اصطلاح رایج تر تعادل است .

در مهندسی ، ریاضیات و علوم فیزیکی و بیولوژیکی، اصطلاحات رایج برای نقاطی که سیستم در اطراف آنها گرانش می‌کند عبارتند از: جاذبه‌ها، حالت‌های پایدار ، حالت‌های ویژه/توابع ویژه، نقاط تعادل، و نقاط تنظیم .

در تئوری کنترل ، منفی به علامت ضریب در مدل های ریاضی برای بازخورد اشاره دارد. در نماد دلتا، خروجی -Δ به ورودی اضافه یا مخلوط می شود. در سیستم‌های چند متغیره، بردارها کمک می‌کنند تا نشان دهند چگونه چندین تأثیر می‌توانند تا حدی مکمل و تا حدی با یکدیگر مخالف باشند. ^[3]

برخی از نویسندگان، به ویژه با توجه به مدل سازی سیستم های کسب و کار ، از منفی برای اشاره به کاهش تفاوت بین رفتار مطلوب و واقعی یک سیستم استفاده می کنند. ^{[4] [5]} در یک زمینه روانشناسی، از سوی دیگر، منفی به ظرفیت بازخورد - جذاب در مقابل نفرت، یا ستایش در مقابل انتقاد اشاره دارد. ^[6]

در مقابل، بازخورد مثبت بازخوردی است که در آن سیستم به گونه‌ای پاسخ می‌دهد که بزرگی هر اغتشاش خاصی را افزایش دهد و در نتیجه به جای تثبیت، سیگنال اصلی را تقویت کند. هر سیستمی که در آن بازخورد مثبت همراه با سود بیشتر از یک وجود داشته باشد، منجر به یک وضعیت فرار خواهد شد. بازخورد مثبت و منفی برای کار کردن نیاز به یک حلقه بازخورد دارند.

با این حال، سیستم های بازخورد منفی همچنان می توانند در معرض نوسانات باشند . این به دلیل تغییر فاز در اطراف هر حلقه ایجاد می شود. با توجه به این جابه‌جایی‌های فاز، سیگنال بازخورد برخی از فرکانس‌ها در نهایت می‌تواند با سیگنال ورودی هم فاز شود و در نتیجه به بازخورد مثبت تبدیل شود و شرایط فرار ایجاد کند. حتی قبل از اینکه تغییر فاز به 180 درجه برسد، پایداری حلقه بازخورد منفی به خطر می‌افتد، که منجر به افزایش کم و بیش از حد پس از یک اختلال می‌شود. این مشکل اغلب با تضعیف یا تغییر فاز فرکانس های مشکل دار در یک مرحله طراحی به نام جبران برطرف می شود. اگر سیستم به طور طبیعی دارای میرایی کافی نباشد، بسیاری از سیستم های بازخورد منفی دارای فیلترهای پایین گذر یا دمپرهایی هستند .

نمونه ها

• ترموستات‌های جیوه (حدود 1600) با استفاده از انبساط و انقباض ستون‌های جیوه در پاسخ به تغییرات دما در سیستم‌های بازخورد منفی برای کنترل دریچه‌ها در کوره‌ها، حفظ دمای داخلی ثابت استفاده شدند.
• در دست نامرئی استعاره بازار از تئوری اقتصادی (1776)، واکنش‌ها به حرکات قیمت مکانیزم بازخوردی را برای مطابقت با عرضه و تقاضا فراهم می‌کند .
• در گاورنرهای گریز از مرکز (1788)، از بازخورد منفی برای حفظ سرعت تقریباً ثابت موتور، صرف نظر از بار یا شرایط عرضه سوخت استفاده می‌شود.
• در یک موتور فرمان (1866)، کمک قدرت به سکان با یک حلقه بازخورد اعمال می‌شود تا جهتی را که فرمان فرمان تعیین کرده است حفظ کند.
• در سروومکانیسم‌ها ، سرعت یا موقعیت یک خروجی، همانطور که توسط یک سنسور تعیین می‌شود ، با مقدار تنظیم شده مقایسه می‌شود و هرگونه خطا با بازخورد منفی به ورودی کاهش می‌یابد.
• در تقویت‌کننده‌های صوتی ، بازخورد منفی پاسخ فرکانس را صاف می‌کند ، اعوجاج را کاهش می‌دهد ، تأثیر تغییرات تولید در پارامترهای اجزا را به حداقل می‌رساند و تغییرات در ویژگی‌های ناشی از تغییر دما را جبران می‌کند.
• در محاسبات آنالوگ ، بازخورد پیرامون تقویت کننده های عملیاتی برای تولید توابع ریاضی مانند جمع ، تفریق ، ادغام ، تمایز ، لگاریتم و توابع آنتی لاگ استفاده می شود.
• در مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ دلتا سیگما (به ویژه برای صدای با کیفیت بالا )، از یک حلقه بازخورد منفی برای تصحیح مکرر خطای کوانتیزاسیون انباشته در طول تبدیل استفاده می شود.
• در یک حلقه قفل فاز (1932)، بازخورد برای حفظ شکل موج متناوب تولید شده در فاز ثابت به سیگنال مرجع استفاده می‌شود . در بسیاری از پیاده سازی ها شکل موج تولید شده خروجی است، اما زمانی که به عنوان دمدولاتور در گیرنده رادیویی FM استفاده می شود ، ولتاژ بازخورد خطا به عنوان سیگنال خروجی دمودوله شده عمل می کند. اگر یک تقسیم کننده فرکانس بین شکل موج تولید شده و مقایسه کننده فاز وجود داشته باشد ، دستگاه به عنوان یک ضرب کننده فرکانس عمل می کند .
• در ارگانیسم‌ها ، بازخورد اندازه‌گیری‌های مختلف (مثلاً دمای بدن یا سطح قند خون ) را قادر می‌سازد تا با فرآیندهای هموستاتیک در محدوده مورد نظر حفظ شوند .

پیاده سازی های دقیق

مقررات کنترل شده با خطا

حلقه تنظیم کننده اصلی با خطای کنترل شده

یک رگولاتور R ورودی را به سیستم T تنظیم می کند تا متغیرهای اساسی نظارت شده E در مقادیر نقطه تنظیم S نگه داشته شوند که با وجود اختلالات D به خروجی سیستم مورد نظر منجر می شود . ^{[1] [7]}

یکی از کاربردهای بازخورد این است که یک سیستم (مثلا T ) را خود تنظیم کند تا تأثیر یک اختلال را به حداقل برساند (مثلاً D ). با استفاده از یک حلقه بازخورد منفی، اندازه گیری برخی از متغیرها (به عنوان مثال، یک متغیر فرآیند ، مثلا E ) از مقدار مورد نیاز ( "نقطه تنظیم" ) کم می شود تا یک خطای عملیاتی در وضعیت سیستم تخمین زده شود، که سپس توسط یک عدد استفاده می شود. تنظیم کننده (مثلا R ) برای کاهش فاصله بین اندازه گیری و مقدار مورد نیاز. ^{[8] [9]} تنظیم کننده ورودی سیستم T را با توجه به تفسیر خود از خطا در وضعیت سیستم تغییر می دهد. این خطا ممکن است با انواع اختلالات یا "ناراحتی" احتمالی، برخی آهسته و برخی سریع، ایجاد شود. ^[10] مقررات در چنین سیستم‌هایی می‌تواند از کنترل ساده «روشن خاموش» تا پردازش پیچیده‌تر سیگنال خطا متغیر باشد . ^[11]

در این چارچوب، شکل فیزیکی یک سیگنال ممکن است دستخوش دگرگونی های متعددی شود. به عنوان مثال، تغییر آب و هوا ممکن است باعث اختلال در گرمای ورودی به خانه شود (به عنوان مثالی از سیستم T ) که توسط دماسنج به عنوان تغییر دما (به عنوان مثالی از "متغیر ضروری" E ) نظارت می شود. . سپس این مقدار توسط ترموستات (یک "مقایسه کننده") به یک خطای الکتریکی در وضعیت در مقایسه با "نقطه تنظیم" S تبدیل می شود و متعاقباً توسط رگولاتور (شامل یک "کنترل کننده" که به شیرهای کنترل گاز و یک جرقه زن) در نهایت برای تغییر گرمای ارائه شده توسط یک کوره (یک «اثرگذار») برای مقابله با اختلالات اولیه مربوط به آب و هوا در گرمای ورودی به خانه. ^[12]

تنظیم کنترل شده با خطا معمولاً با استفاده از یک کنترل کننده متناسب-انتگرال-مشتق ( کنترل کننده PID ) انجام می شود. سیگنال تنظیم کننده از مجموع وزنی سیگنال خطا، انتگرال سیگنال خطا و مشتق سیگنال خطا به دست می آید. وزن اجزای مربوطه به کاربرد بستگی دارد. ^[13]

از نظر ریاضی، سیگنال تنظیم کننده توسط:

${\displaystyle \mathrm {MV(t)} =K_{p}\left(\,{e(t)}+{\frac {1}{T_{i}}}\int _{0}^{t}{e(\tau )}\,{d\tau }+T_{d}{\frac {d}{dt}}e(t)\right)}$

کجا

${\displaystyle T_{i}}$زمان جدایی ناپذیر است

${\displaystyle T_{d}}$زمان مشتق است

تقویت کننده بازخورد منفی

تقویت کننده بازخورد منفی توسط هارولد استفن بلک در آزمایشگاه های بل در سال 1927 اختراع شد و در سال 1937 یک حق اختراع اعطا کرد (اختراع ایالات متحده 2,102,671) ^[14] "ادامه برنامه شماره سریال 298،155، ثبت شده در 8 آگوست 1928 ..." . ^{[15] [16]}

"پتنت 52 صفحه به اضافه 35 صفحه شکل است. 43 صفحه اول یک رساله کوچک در مورد تقویت کننده های بازخورد است!" ^[16]

فیدبک در تقویت کننده ها مزایای زیادی دارد. ^[17] در طراحی، نوع بازخورد و مقدار بازخورد به دقت انتخاب می‌شود تا این مزایا مختلف وزن شود و بهینه شود.

مزایای بازخورد ولتاژ منفی در تقویت کننده ها

1. اعوجاج غیر خطی را کاهش می دهد، یعنی وفاداری بالاتری دارد.
2. پایداری مدار را افزایش می‌دهد: یعنی بهره پایدار می‌ماند اگرچه تغییراتی در دمای محیط، فرکانس و دامنه سیگنال وجود دارد.
3. پهنای باند را کمی افزایش می دهد.
4. امپدانس ورودی و خروجی را اصلاح می کند.
5. اعوجاج هارمونیک، فاز، دامنه و فرکانس همگی به میزان قابل توجهی کاهش می یابند.
6. سر و صدا به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

اگرچه بازخورد منفی مزایای زیادی دارد، تقویت کننده های دارای بازخورد می توانند نوسان داشته باشند . مقاله پاسخ گام را ببینید . آنها حتی ممکن است بی ثباتی نشان دهند . هری نایکوئیست از آزمایشگاه های بل، معیار پایداری نایکوئیست و طرح نایکویست را پیشنهاد کرد که سیستم های بازخورد پایدار، از جمله تقویت کننده ها و سیستم های کنترل را شناسایی می کند.

تقویت کننده بازخورد منفی با اختلال خارجی. ^{[18] اگر β} A  > 0 باشد، بازخورد منفی است .

شکل یک بلوک دیاگرام ساده شده از تقویت کننده بازخورد منفی را نشان می دهد .

بازخورد بهره کلی تقویت کننده (حلقه بسته) را در یک مقدار تنظیم می کند:

${\displaystyle {\frac {O}{I}}={\frac {A}{1+\beta A}}\approx {\frac {1}{\beta }}\ ,}$

در جایی که مقدار تقریبی β A > 1 را فرض می کند. این عبارت نشان می دهد که بهره ای بیشتر از یک به β <1 نیاز دارد. از آنجایی که بهره تقریبی 1/β مستقل از بهره حلقه باز A است ، بازخورد گفته می شود که حساسیت زدایی می کند. بهره حلقه بسته نسبت به تغییرات A (به عنوان مثال، به دلیل تغییرات تولید بین واحدها، یا تأثیر دما بر اجزا)، تنها به شرطی که بهره A به اندازه کافی بزرگ باشد. ^[19] در این زمینه، فاکتور (1+β A ) اغلب «ضریب حساسیت» نامیده می‌شود، ^{[20] [21]} و در زمینه گسترده‌تر اثرات بازخوردی که شامل موارد دیگری مانند امپدانس الکتریکی و پهنای باند می‌شود ، « عامل بهبود. ^[22]

اگر اختلال D گنجانده شود، خروجی تقویت کننده تبدیل می شود:

${\displaystyle O={\frac {AI}{1+\beta A}}+{\frac {D}{1+\beta A}}\ ,}$

که نشان می دهد که بازخورد اثر اختلال را توسط "عامل بهبود" کاهش می دهد (1+β A ). اختلال D ممکن است از نوسانات در خروجی تقویت کننده به دلیل نویز و غیرخطی بودن (اعوجاج) در این تقویت کننده یا از سایر منابع نویز مانند منابع تغذیه ناشی شود. ^{[23] [24]}

سیگنال تفاوت I -β O در ورودی تقویت کننده گاهی اوقات "سیگنال خطا" نامیده می شود. ^[25] طبق نمودار، سیگنال خطا به صورت زیر است:

${\displaystyle {\text{Error signal}}=I-\beta O=I\left(1-\beta {\frac {O}{I}}\right)={\frac {I}{1+\beta A}}-{\frac {\beta D}{1+\beta A}}\ .}$

از این عبارت، می توان دریافت که یک "ضریب بهبود" بزرگ (یا یک افزایش حلقه بزرگ β A ) تمایل دارد این سیگنال خطا را کوچک نگه دارد.

اگرچه این نمودار اصول تقویت کننده بازخورد منفی را نشان می دهد، مدل سازی یک تقویت کننده واقعی به عنوان یک بلوک تقویت کننده رو به جلو یک طرفه و یک بلوک بازخورد یک طرفه دارای محدودیت های قابل توجهی است. ^[26] برای روش های تحلیلی که این ایده آل سازی ها را انجام نمی دهند، به مقاله تقویت کننده بازخورد منفی مراجعه کنید .

مدارهای تقویت کننده عملیاتی

تقویت کننده ولتاژ فیدبک با استفاده از یک آپ امپ با بهره محدود اما امپدانس ورودی نامحدود و امپدانس خروجی صفر. ^[27]

تقویت کننده عملیاتی در ابتدا به عنوان یک بلوک ساختمانی برای ساخت رایانه های آنالوگ توسعه داده شد ، اما اکنون تقریباً به طور جهانی در همه انواع برنامه ها از جمله تجهیزات صوتی و سیستم های کنترل استفاده می شود .

مدارهای تقویت کننده عملیاتی معمولاً از بازخورد منفی برای بدست آوردن یک تابع انتقال قابل پیش بینی استفاده می کنند. از آنجایی که بهره حلقه باز یک آپ امپ بسیار زیاد است، یک سیگنال ورودی دیفرانسیل کوچک در غیاب بازخورد منفی، خروجی تقویت کننده را به یک ریل یا ریل دیگر هدایت می کند. یک مثال ساده از استفاده از فیدبک تقویت کننده ولتاژ op-amp است که در شکل نشان داده شده است.

مدل ایده آل تقویت کننده عملیاتی فرض می کند که بهره بی نهایت، امپدانس ورودی بی نهایت، مقاومت خروجی صفر، و جریان های آفست ورودی و ولتاژ صفر است. چنین تقویت کننده ایده آلی هیچ جریانی از تقسیم کننده مقاومت نمی گیرد. ^[28] با نادیده گرفتن دینامیک (اثرات گذرا و تأخیر انتشار )، بهره بی‌نهایت Op-amp ایده‌آل به این معنی است که این مدار بازخورد اختلاف ولتاژ بین دو ورودی op-amp را به صفر می‌رساند. ^[28] در نتیجه، بهره ولتاژ مدار در نمودار، با فرض تقویت کننده عملیات ایده آل، متقابل نسبت تقسیم ولتاژ فیدبک β است:

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {R_{\text{1}}+R_{\text{2}}}{R_{\text{1}}}}V_{\text{in}}\!={\frac {1}{\beta }}V_{\text{in}}\,}$.

یک آپ امپ واقعی دارای بهره A بالا اما محدود در فرکانس های پایین است که در فرکانس های بالاتر به تدریج کاهش می یابد. علاوه بر این، یک امپدانس ورودی محدود و یک امپدانس خروجی غیر صفر را نشان می دهد. اگرچه آپ امپ های عملی ایده آل نیستند، مدل یک آپ امپ ایده آل اغلب برای درک عملکرد مدار در فرکانس های کافی پایین کافی است. همانطور که در بخش قبل بحث شد، مدار فیدبک بهره حلقه بسته را تثبیت می کند و خروجی را نسبت به نوسانات ایجاد شده در داخل خود تقویت کننده حساس می کند. ^[29]

حوزه های کاربردی

مهندسی مکانیک

شیر بالک یا شناور از بازخورد منفی برای کنترل سطح آب در مخزن استفاده می کند.

نمونه ای از استفاده از کنترل بازخورد منفی، کنترل سطح آب (نمودار را ببینید)، یا یک تنظیم کننده فشار است . در مهندسی مدرن، حلقه‌های بازخورد منفی در فرمان‌های موتور ، سیستم‌های تزریق سوخت و کاربراتورها یافت می‌شوند . مکانیسم‌های کنترلی مشابهی در سیستم‌های گرمایش و سرمایش، مانند سیستم‌های تهویه مطبوع ، یخچال‌ها یا فریزرها استفاده می‌شوند .

زیست شناسی

کنترل هورمون های غدد درون ریز با بازخورد منفی.

برخی از سیستم های بیولوژیکی بازخورد منفی از خود نشان می دهند مانند بارورفلکس در تنظیم فشار خون و erythropoiesis . بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی (به عنوان مثال، در آناتومی انسان ) از بازخورد منفی استفاده می کنند. نمونه‌هایی از این موارد متعدد است، از تنظیم دمای بدن گرفته تا تنظیم سطح گلوکز خون . اختلال در حلقه های بازخورد می تواند منجر به نتایج نامطلوب شود: در مورد سطح گلوکز خون ، اگر بازخورد منفی ناموفق باشد، سطح گلوکز در خون ممکن است به طور چشمگیری افزایش یابد و در نتیجه منجر به دیابت شود .

برای ترشح هورمونی که توسط حلقه بازخورد منفی تنظیم می‌شود: وقتی غده X هورمون X را آزاد می‌کند، سلول‌های هدف را تحریک می‌کند تا هورمون Y را آزاد کنند. هنگامی که هورمون Y بیش از حد وجود دارد، غده X این را "احساس" می‌کند و از ترشح هورمون X خود جلوگیری می‌کند. در شکل نشان داده شده است، اکثر هورمون های غدد درون ریز توسط یک حلقه مهار بازخورد منفی فیزیولوژیکی ، مانند گلوکوکورتیکوئیدهای ترشح شده از قشر آدرنال، کنترل می شوند . هیپوتالاموس هورمون آزاد کننده کورتیکوتروپین (CRH) ترشح می کند که غده هیپوفیز قدامی را برای ترشح هورمون آدرنوکورتیکوتروپیک (ACTH) هدایت می کند . به نوبه خود، ACTH قشر آدرنال را برای ترشح گلوکوکورتیکوئیدهایی مانند کورتیزول هدایت می کند . گلوکوکورتیکوئیدها نه تنها عملکردهای مربوطه خود را در سراسر بدن انجام می دهند، بلکه بر آزاد شدن ترشحات تحریک کننده بیشتر هیپوتالاموس و غده هیپوفیز نیز تأثیر منفی می گذارند و به طور مؤثری خروجی گلوکوکورتیکوئیدها را پس از آزاد شدن مقدار کافی کاهش می دهند. ^[30]

شیمی

سیستم‌های بسته حاوی موادی که تحت یک واکنش شیمیایی برگشت‌پذیر قرار می‌گیرند نیز می‌توانند بازخورد منفی را مطابق با اصل Le Chatelier نشان دهند که تعادل شیمیایی را به سمت مخالف واکنش به منظور کاهش تنش تغییر می‌دهد. مثلاً در واکنش

N ₂ + 3 H ₂ ⇌ 2 NH ₃ + 92 kJ/mol

اگر مخلوطی از واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در حالت تعادل در یک ظرف در بسته وجود داشته باشد و گاز نیتروژن به این سیستم اضافه شود، آنگاه تعادل در پاسخ به سمت محصول تغییر خواهد کرد. اگر دما افزایش یابد، تعادل به سمت واکنش دهنده تغییر می کند که از آنجایی که واکنش معکوس گرماگیر است، تا حدی دما را کاهش می دهد.

خود سازماندهی

خودسازماندهی توانایی سیستم های معین «سازماندهی رفتار یا ساختار خود» است. ^[31] عوامل احتمالی زیادی در ایجاد این ظرفیت وجود دارد، و اغلب بازخورد مثبت به عنوان یک عامل احتمالی شناسایی می‌شود. با این حال، بازخورد منفی نیز می تواند نقش داشته باشد. ^[32]

اقتصاد

در علم اقتصاد، تثبیت کننده های خودکار برنامه های دولتی هستند که به عنوان بازخورد منفی برای کاهش نوسانات تولید ناخالص داخلی واقعی در نظر گرفته شده اند .

علم اقتصاد مدعی است که مکانیسم قیمت‌گذاری بازار برای مطابقت با عرضه و تقاضا عمل می‌کند ، زیرا عدم تطابق بین آنها به تصمیم‌گیری عرضه‌کنندگان و تقاضاکنندگان کالا بازمی‌گردد، قیمت‌ها را تغییر می‌دهد و در نتیجه هر گونه اختلاف را کاهش می‌دهد. با این حال نوربرت وینر در سال 1948 نوشت:

"در بسیاری از کشورها این باور وجود دارد که در ایالات متحده به رتبه یک مرجع اعتقادی رسمی ارتقا یافته است که رقابت آزاد خود یک فرآیند هموستاتیک است... متأسفانه شواهد، مانند آنچه هست، خلاف این ساده‌اندیشی است. نظریه." ^[33]

مفهوم تعادل اقتصادی که به این شیوه توسط نیروهای بازار حفظ می‌شود، توسط بسیاری از اقتصاددانان هترودکس مانند جورج سوروس ^[34] سرمایه‌دار و اقتصاددان برجسته بوم‌شناس و نظریه‌پرداز وضعیت پایدار، هرمان دالی ، که در سال 1988 در بانک جهانی بود، مورد تردید قرار گرفته است. 1994. ^[35]

علوم محیطی

برخی از اثرات تغییرات آب و هوا می تواند گرمایش جهانی را افزایش دهد ( بازخوردهای مثبت ) یا تضعیف (بازخوردهای منفی). ^{[36] [37]}

یک مثال اساسی و متداول از یک سیستم بازخورد منفی در محیط، تعامل بین پوشش ابر ، رشد گیاهان، تابش خورشیدی و دمای سیاره است. ^[38] با افزایش تابش خورشیدی ورودی، دمای سیاره افزایش می یابد. با افزایش دما، میزان حیات گیاهی که می تواند رشد کند افزایش می یابد. این زندگی گیاهی می تواند محصولاتی مانند گوگرد تولید کند که پوشش ابری بیشتری تولید می کند. افزایش پوشش ابر منجر به افزایش آلبدو یا بازتاب سطح زمین می شود. با افزایش آلبدو، مقدار تابش خورشید کاهش می یابد. ^[39] این به نوبه خود، بقیه چرخه را تحت تأثیر قرار می دهد.

پوشش ابر، و به نوبه خود آلبیدو سیاره و دما نیز تحت تأثیر چرخه هیدرولوژیکی است . ^[40] با افزایش دمای سیاره، بخار آب بیشتری تولید می شود و ابرهای بیشتری ایجاد می شود. ^[41] سپس ابرها تابش خورشیدی ورودی را مسدود می کنند و دمای سیاره را کاهش می دهند. این فعل و انفعال باعث تولید بخار آب کمتر و در نتیجه پوشش ابر کمتر می شود. سپس چرخه در یک حلقه بازخورد منفی تکرار می شود. به این ترتیب حلقه های بازخورد منفی در محیط اثر تثبیت کنندگی دارند. ^[42]

تاریخچه

بازخورد منفی به عنوان یک تکنیک کنترل ممکن است در اصلاحات ساعت آبی که توسط کتسیبیوس اسکندریه در قرن سوم قبل از میلاد معرفی شد دیده شود. مکانیسم‌های خودتنظیمی از دوران باستان وجود داشته‌اند و برای حفظ سطح ثابت در مخازن ساعت‌های آب در اوایل 200 سال قبل از میلاد مورد استفاده قرار می‌گرفتند. ^[43]

فرماندار فلای بال نمونه اولیه بازخورد منفی است.

بازخورد منفی در قرن هفدهم اجرا شد. کورنلیوس دربل در اوایل دهه 1600، انکوباتورها و اجاق‌هایی با کنترل ترموستاتیک ساخته بود ، ^[44] و از گاورنرهای گریز از مرکز برای تنظیم فاصله و فشار بین سنگ‌های آسیاب در آسیاب‌های بادی استفاده می‌شد . ^[45] جیمز وات فرمی از گاورنر را در سال 1788 ثبت اختراع کرد تا سرعت موتور بخار خود را کنترل کند ، و جیمز کلرک ماکسول در سال 1868 "حرکات اجزایی" مرتبط با این گاورنرها را توصیف کرد که منجر به کاهش یک اختلال یا دامنه نوسان می شود. . ^[46]

اصطلاح " بازخورد " در دهه 1920 با اشاره به ابزاری برای افزایش بهره تقویت کننده الکترونیکی به خوبی تثبیت شد. ^{[3] فریس} و جنسن این عمل را به عنوان "بازخورد مثبت" توصیف کردند و در سال 1924 به یک "عمل بازخورد منفی" متضاد اشاره کردند . در سال 1927، یک درخواست ثبت اختراع در سال 1928 ارائه کرد، ^[15] و استفاده از آن را در مقاله خود در سال 1934 به تفصیل شرح داد، جایی که او بازخورد منفی را به عنوان نوعی کوپلینگ تعریف کرد که بهره تقویت کننده را کاهش داد و در این فرآیند پایداری و پهنای باند آن را به شدت افزایش داد. ^{[48] ​​[49]}

Karl Küpfmüller در سال 1928 مقالاتی در مورد یک سیستم کنترل بهره خودکار مبتنی بر بازخورد منفی و یک معیار پایداری سیستم بازخورد منتشر کرد ^{. [50]}

Nyquist و Bode بر اساس کار بلک تئوری پایداری تقویت کننده را توسعه دادند. ^[49]

محققان اولیه در حوزه سایبرنتیک متعاقباً ایده بازخورد منفی را برای پوشش دادن هر رفتار هدف جویی یا هدفمندی تعمیم دادند. ^[51]

همه رفتارهای هدفمند ممکن است نیازمند بازخورد منفی در نظر گرفته شود. اگر قرار است به هدفی دست یابیم، برخی از سیگنال‌ها از آن هدف برای هدایت رفتار ضروری است.

نوربرت وینر ، پیشگام سایبرنتیک، به رسمیت بخشیدن به مفاهیم کنترل بازخورد کمک کرد و بازخورد را به طور کلی به عنوان "زنجیره انتقال و بازگشت اطلاعات" تعریف کرد، ^[52] و بازخورد منفی را در موارد زیر تعریف کرد:

اطلاعاتی که به مرکز کنترل بازگردانده می شود، تمایل به مخالفت با خروج مقدار کنترل شده از کمیت کنترل دارد... ^{: 97}

در حالی که دیدگاه بازخورد به‌عنوان هر «دایره‌ای عمل» به ساده و منسجم نگه داشتن نظریه کمک کرد، اشبی خاطرنشان کرد که اگرچه ممکن است با تعاریفی که نیاز به ارتباط «مادی آشکار» دارند، تضاد داشته باشد، «تعریف دقیق بازخورد هیچ‌جا مهم نیست. ". ^[1] اشبی به محدودیت های مفهوم "بازخورد" اشاره کرد:

مفهوم "بازخورد"، که در برخی موارد ابتدایی بسیار ساده و طبیعی است، زمانی که اتصالات بین قطعات پیچیده تر می شود، مصنوعی می شود و کاربرد چندانی ندارد... چنین سیستم های پیچیده ای را نمی توان به عنوان مجموعه ای در هم آمیخته از بازخوردهای کم و بیش مستقل در نظر گرفت. مدارها، اما فقط به عنوان یک کل. بنابراین برای درک اصول کلی سیستم های پویا، مفهوم بازخورد به خودی خود ناکافی است. آنچه مهم است این است که سیستم‌های پیچیده، که در داخل بسیار به هم متصل هستند، رفتارهای پیچیده‌ای دارند و این رفتارها می‌توانند در الگوهای پیچیده هدف‌یابی باشند. ^{: 54}

برای کاهش سردرگمی، نویسندگان بعدی اصطلاحات جایگزینی مانند دژنراتیو ، ^[53] خود اصلاح کننده ، ^[54] متعادل کننده ، ^[55] یا کاهش دهنده اختلاف ^[56] را به جای «منفی» پیشنهاد کرده اند.

همچنین ببینید

• مدل سود مجانبی
• بیوفیدبک  - کسب آگاهی از فرآیندهای بیولوژیکی
• تئوری کنترل  - شاخه مهندسی و ریاضیات
• سایبرنتیک  - زمینه فرا رشته ای مربوط به سیستم های نظارتی و هدفمند
• بازخورد تغییر آب و هوا  - بازخورد مربوط به تغییرات آب و هواصفحاتی که توضیحات کوتاهی از اهداف تغییر مسیر را نشان می دهند
• معیار پایداری نایکیست  - روش گرافیکی تعیین پایداری یک سیستم دینامیکی
• کنترل کننده حلقه باز  - سیستم کنترلی که ورودی آن مستقل از خروجی است
• نظریه کنترل ادراکی  - نظریه روانشناختی
• بازخورد مثبت  - حلقه بازخوردی که یک اثر کوچک اولیه را افزایش می دهد
• معیار ثبات
• پاسخ مرحله ای  - رفتار زمانی یک سیستم که توسط توابع گام Heaviside کنترل می شود

مراجع

1. W. Ross Ashby (1957). "فصل 12: تنظیم کننده خطا" (PDF) . مقدمه ای بر سایبرنتیک . Chapman & Hall Ltd. اینترنت (1999). صص 219-243.
2. رابرت ای. ریکلفس; گری لئون میلر (2000). "§6.1 هموستاز به بازخورد منفی بستگی دارد". اکولوژی . مک میلان. ص 92. شابک 9780716728290.
3. David A. Mindell (2002). بین انسان و ماشین: بازخورد، کنترل و محاسبات قبل از سایبرنتیک بالتیمور، MD، ایالات متحده آمریکا: انتشارات دانشگاه جان هاپکینز. شابک 9780801868955.
4. آرکالگود راماپراساد (1983). "درباره تعریف بازخورد". علوم رفتاری . 28 (1): 4-13. doi :10.1002/bs.3830280103.
5. جان دی استرمن، پویایی کسب و کار: تفکر سیستمی و مدل سازی برای یک جهان پیچیده مک گراو هیل/ایروین، 2000. ISBN 9780072389159 
6. هرولد، دیوید ام. گرلر، مارتین ام (1977). "یادداشت های پژوهشی. بازخورد: تعریف یک سازه". مجله آکادمی مدیریت . 20 (1): 142-147. JSTOR  255468.
7. Sudheer S Bhagade; گویند داس ناگشوار (2011). دینامیک فرآیند و کنترل PHI Learning Pvt. با مسئولیت محدود ص 6، 9. ISBN 9788120344051.
8. چارلز اچ ویلتز (1960). اصول کنترل بازخورد . میخانه ادیسون-وسلی شرکت ص. 1. در یک سیستم بازخورد ساده یک کمیت فیزیکی خاص کنترل می شود و با مقایسه واقعی این کمیت با مقدار مورد نظر و استفاده از تفاوت برای کاهش خطای مشاهده شده، کنترل انجام می شود. چنین سیستمی خود تصحیح کننده است به این معنا که هر گونه انحراف از عملکرد مطلوب برای ایجاد اقدام اصلاحی استفاده می شود.
9. SK Singh (2010). کنترل فرآیند: مفاهیم دینامیک و کاربردها PHI Learning Pvt. Ltd. p. 222. شابک 9788120336780.
10. برای مثال، اختلالات ورودی و بار. نگاه کنید به William Y. Svrcek; دونالد پی ماهونی; برنت آر یانگ (2013). یک رویکرد زمان واقعی برای کنترل فرآیند (ویرایش سوم). جان وایلی و پسران ص 57. شابک 9781118684733.
11. چارلز دی اچ ویلیامز. "انواع کنترل بازخورد". بازخورد و کنترل دما . دانشگاه اکستر: فیزیک و نجوم . بازیابی شده در 2014-06-08 .
12. جیانینی، الساندرا؛ بیاسوتی، میشلا؛ Verstraete، Michel M. (2008-12-01). "بررسی مبتنی بر مدل آب و هوایی خشکسالی در ساحل: بیابان زایی، سبز شدن مجدد و تغییرات آب و هوایی". تغییرات جهانی و سیاره ای . تغییر اقلیم و بیابان زایی. 64 (3): 119-128. Bibcode :2008GPC....64..119G. doi :10.1016/j.gloplacha.2008.05.004. ISSN  0921-8181.
13. بکهوفر، جان (2005). "بازخورد برای فیزیکدانان: مقاله آموزشی در مورد کنترل". بررسی های فیزیک مدرن . 77 (3): 783-835. Bibcode :2005RvMP...77..783B. CiteSeerX 10.1.1.124.7043 . doi :10.1103/revmodphys.77.783. 
14. بلک، هارولد (1937-12-21). "اختراع ایالات متحده 2,102,671: سیستم ترجمه موج" (PDF) . www.eepatents.com . بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 2014-10-06.
15. James E Brittain (فوریه 2011). "تالار مشاهیر مهندسی برق: هارولد اس بلک" (PDF) . مجموعه مقالات IEEE . 99 (2): 351-353. doi :10.1109/jproc.2010.2090997. بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 29 نوامبر 2014.
16. CA Desoer (اوت 1984). "به یادگار: هارولد استفن بلک". معاملات IEEE در کنترل خودکار . AC-29 (8): 673-674. doi :10.1109/tac.1984.1103645.
17. سانتیرام کال (2009). "§6.3 مزایای تقویت کننده های بازخورد منفی". الکترونیک پایه: دستگاه ها، مدارها و اصول آن . PHI Learning Pvt. Ltd. pp. 193 ff . شابک 9788120319523.
18. مارک تامسون (2006). "شکل 11-4: ورودی تک کلاسیک، حلقه کنترل تک خروجی". طراحی مدار آنالوگ بصری نیونز. شابک 9780080478753.
19. سانتیرام کال (2009). "§6.3.1 به دست آوردن ثبات". الکترونیک پایه: دستگاه ها، مدارها و مبانی فناوری اطلاعات . PHI Learning Pvt. Ltd. صفحات 193-194. شابک 9788120319523.
20. مارک تی تامپسون، ص. 309
21. توماس اچ لی (2004). طراحی مدارهای فرکانس رادیویی CMOS (ویرایش دوم). انتشارات دانشگاه کمبریج ص 447. شابک 9780521835398.
22. نوربرت مالیک (1995). "عامل بهبود". مدارهای الکترونیکی: شبیه سازی و طراحی تحلیل سالن پرنتیس ص 671. شابک 9780023749100.
23. سانتیرام کال (14 ژانویه 2009). "§6.3.2 کاهش نویز". الکترونیک پایه: دستگاه ها، مدارها و مبانی فناوری اطلاعات . PHI Learning Pvt. ص 194. شابک 9788120319523.
24. SK Bhattacharya. "§5.3.3 اثر بازخورد بر سیگنال اختلال". سیستم های کنترل خطی: برای دانشگاه فنی پنجاب . آموزش پیرسون هند. شابک 9788131759523.
25. محمد رشید (2010). مدارهای میکروالکترونیک: تجزیه و تحلیل و طراحی (ویرایش دوم). Cengage Learning. ص 642. شابک 9780495667728.
26. وای-کای چن (2005). «فصل سیزدهم: نظریه بازخورد عمومی». تجزیه و تحلیل مدار و نظریه تقویت کننده بازخورد . مطبوعات CRC. صص 13-1. شابک 9781420037272. [در یک تقویت‌کننده عملی] مسیر رو به جلو ممکن است کاملاً یکطرفه نباشد، مسیر بازخورد معمولاً دوطرفه است و شبکه‌های جفت ورودی و خروجی اغلب پیچیده هستند.
27. ، برای مثال، شکل 1.4، ص. 7 مدل آپ امپ ایده آل در سرجیو فرانکو (2002). طراحی با تقویت کننده های عملیاتی و مدارهای مجتمع آنالوگ (ویرایش سوم). مک گراو هیل. شابک 978-0078028168.یا دیوید جی نیر; سرجیو بی فرانکو (2009). "شکل 16.2: چهار پیکربندی op-amp ممکن". در وای-کای چن (ویرایش). مبانی مدارها و فیلترها (راهنمای مدارها و فیلترها، ویرایش سوم). مطبوعات CRC. ص 16-2. شابک 9781420058888.
28. G. Schitter; A. Rankers (2014). "§6.3.4 تقویت کننده های خطی با تقویت کننده های عملیاتی". طراحی مکاترونیک با کارایی بالا . IOS Press. ص 499. شابک 9781614993681.
29. والتر جی یونگ (2005). "افزایش نویز (NG)". راهنمای برنامه های کاربردی Op Amp . نیونز. ص 12 به بعد شابک 9780750678445.
30. ریون، پی اچ. جانسون، GB. زیست شناسی ، ویرایش پنجم، بوستون: شرکت های هیل، شرکت 1999. صفحه 1058.
31. ویلیام آر اوتال (2014). روان‌شناسی: منابع مصنوعات و باورهای غلط در روان‌شناسی علمی. انتشارات روانشناسی. ص 95 به بعد . شابک 9781135623722.
32. اسکات کامازین؛ ژان لوئی دنوبرگ; نایجل آر فرانک; جیمز اسنید؛ گای تراولاز; اریک بونابو (2003). "فصل 2: ​​چگونه خود سازماندهی کار می کند". خود سازماندهی در سیستم های بیولوژیکی انتشارات دانشگاه پرینستون ص 15 به بعد شابک 9780691116242.
33. سایبرنتیک: یا کنترل و ارتباطات در حیوانات و ماشین ص.158
34. گوروج سوروس، کیمیاگری مالی
35. هرمان دالی، اقتصاد وضعیت پایدار
36. "مطالعه زمین به عنوان یک سیستم یکپارچه". nasa.gov . ناسا. 2016. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2 نوامبر 2016.
37. شکل TS.17، خلاصه فنی، ششمین گزارش ارزیابی (AR6)، گروه کاری I، IPCC، 2021، ص. 96. بایگانی شده از نسخه اصلی در 21 ژوئیه 2022.
38. چارلسون، رابرت جی. لاولاک، جیمز ای. آندره، ماینرات او. وارن، استیون جی (1987). "فیتوپلانکتون اقیانوسی، گوگرد اتمسفر، آلبیدو ابر و آب و هوا". طبیعت . 326 (6114): 655-661. Bibcode :1987Natur.326..655C. doi : 10.1038/326655a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4321239.
39. وینتون، مایکل (2006). "تغییر آب و هوای قطب شمال تقویت شده: بازخورد آلبدوی سطحی چه ربطی به آن دارد؟" نامه تحقیقات ژئوفیزیک . 33 (3): L03701. Bibcode :2006GeoRL..33.3701W. doi : 10.1029/2005GL025244 . ISSN  1944-8007.
40. استفنز، گرام ال. (2005). "بازخوردهای ابر در سیستم آب و هوا: یک بررسی انتقادی". مجله آب و هوا . 18 (2): 237-273. Bibcode :2005JCli...18..237S. doi : 10.1175/JCLI-3243.1 . ISSN  0894-8755. S2CID  16122908.
41. جیکلز، تی دی. An، ZS; اندرسن، KK; بیکر، آر. برگامتی، جی. بروکس، ن. کائو، جی جی. بوید، PW; دوسه، RA; هانتر، کالیفرنیا؛ کاواهاتا، اچ (2005). "ارتباطات آهنی جهانی بین گرد و غبار صحرا، بیوژئوشیمی اقیانوس و اقلیم". علم . 308 (5718): 67-71. Bibcode :2005Sci...308...67J. doi :10.1126/science.1105959. ISSN  0036-8075. PMID  15802595. S2CID  16985005.
42. جیانینی، الساندرا؛ بیاسوتی، میشلا؛ Verstraete، Michel M. (2008). "بررسی مبتنی بر مدل آب و هوایی خشکسالی در ساحل: بیابان زایی، سبز شدن مجدد و تغییرات آب و هوایی". تغییرات جهانی و سیاره ای . تغییر اقلیم و بیابان زایی. 64 (3): 119-128. Bibcode :2008GPC....64..119G. doi :10.1016/j.gloplacha.2008.05.004. ISSN  0921-8181.
43. بریدولد، پیتر سی (2004). "مدل سازی سیستم های مکاترونیک مبتنی بر بندر". ریاضیات و کامپیوتر در شبیه سازی . 66 (2): 99-128. CiteSeerX 10.1.1.108.9830 . doi :10.1016/j.matcom.2003.11.002. 
44. "Tierie, Gerrit. Cornelis Drebbel. Amsterdam: HJ Paris, 1932" (PDF) . بازیابی شده در 2013-05-03 .
45. هیلز، ریچارد ال (1996). قدرت از باد. انتشارات دانشگاه کمبریج. شابک 9780521566865.
46. ماکسول، جیمز کلرک (۱۸۶۸). "درباره فرمانداران" (PDF) . مجموعه مقالات انجمن سلطنتی لندن . 16 : 270-283. doi : 10.1098/rspl.1867.0055 . S2CID  51751195 – از طریق ویکی مدیا.
47. Friis، HT; جنسن، AG (1924). "تقویت کننده های فرکانس بالا". مجله فنی سیستم بل . 3 (2): 181-205. doi :10.1002/j.1538-7305.1924.tb01354.x.
48. بلک، HS (ژانویه 1934). "تقویت کننده های بازخورد تثبیت شده" (PDF) . فن سیستم بل جی . 13 (1): 1-18. doi :10.1002/j.1538-7305.1934.tb00652.x . بازیابی شده در 2 ژانویه 2013 .
49. Stuart Bennett (1993). "فصل 3: تقویت کننده بازخورد منفی الکترونیکی". تاریخچه مهندسی کنترل 1930-1955 . موسسه مهندسین برق. ص 70 به بعد شابک 9780863412806.
50. سی بیسل (2006). "کارل کوپفلمولر، 1928: یک معیار اولیه، دامنه زمانی، حلقه بسته، معیار ثبات" (PDF) . IEEE Control Systems Magazine : 115–116, 126.
51. روزن بلوث، آرتورو، نوربرت وینر و جولیان بیگلو. «رفتار، هدف و غایت شناسی». فلسفه علم 10.1 (1943): 18-24.
52. نوربرت وینر سایبرنتیک: یا کنترل و ارتباطات در حیوان و ماشین . کمبریج، ماساچوست: انتشارات فناوری. نیویورک: جان وایلی و پسران، شرکت، 1948.
53. Hermann A Haus و Richard B. Adler، نظریه مداری شبکه های خطی پر سر و صدا ، انتشارات MIT، 1959
54. پیتر ام. سنگه (1990). رشته پنجم: هنر و عملکرد سازمان یادگیرنده . نیویورک: دو روزه. ص 424. شابک 978-0-385-26094-7.
55. هلن ای. آلیسون; ریچارد جی هابز (2006). علم و سیاست در مدیریت منابع طبیعی: درک پیچیدگی سیستم. انتشارات دانشگاه کمبریج. ص 205. شابک 9781139458603. تعادل یا بازخورد منفی با تغییر مقابله می کند و با آن مخالفت می کند
56. کارور، چارلز اس. Scheier, Michael F. (2001-05-07). در مورد خودتنظیمی رفتار. انتشارات دانشگاه کمبریج شابک 9780521000994.

لینک های خارجی

• "همیوستاز فیزیولوژیکی". زیست شناسی آنلاین: پاسخ به سوالات زیست شناسی شما . Biology-Online.org. 30 ژانویه 2020.