Czym jest sprzężenie zwrotne w elektronice i automatyce

Sprzężenie zwrotne jest efektem wpływu wartości wyjściowej każdego układu C (rys. 1) na wejście tego samego układu. Szerszy sprzężenie zwrotne — wpływ wyników funkcjonowania systemu na charakter tego funkcjonowania.

Oprócz wielkości produkcji na funkcjonujący system mogą również oddziaływać czynniki zewnętrzne (x na ryc. 1). Obwód AV, przez który przesyłane jest sprzężenie zwrotne, nazywany jest pętlą, linią lub kanałem sprzężenia zwrotnego.

Ryż. 1.

Sam kanał może zawierać dowolny układ (D, rys. 2) przekształcający wartość wyjściową w procesie jej transmisji. W tym przypadku mówi się, że sprzężenie zwrotne z wyjścia systemu do jego wejścia odbywa się za pomocą lub za pośrednictwem systemu D.

Ryż. 2.

Sprzężenie zwrotne jest jednym z najważniejszych pojęć w teorii elektroniki i automatyki. Konkretne przykłady implementacji systemów zawierających sprzężenie zwrotne można znaleźć w badaniach szerokiej gamy procesów zachodzących w systemach automatycznych, organizmach żywych, strukturach gospodarczych itp.

Ze względu na powszechność pojęcia, mającą zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki, terminologia w tej dziedzinie nie jest ugruntowana, a każda konkretna dziedzina wiedzy z reguły posługuje się własną terminologią.

Na przykład, w układach automatyki popularne koncepcje negatywnego i pozytywnego sprzężenia zwrotnego, które definiują połączenie między wyjściem systemu a jego wejściem poprzez połączenie wzmocnienia z odpowiednim ujemnym lub dodatnim wzmocnieniem.

W teorii wzmacniaczy elektronicznych znaczenie tych terminów jest inne: sprzężenie zwrotne nazywane jest ujemnym, co zmniejsza bezwzględną wartość ogólnego wzmocnienia, a dodatnim - zwiększa je.

W zależności od metod realizacji w teorii wzmacniaczy elektronicznych istnieją prąd, napięcie i połączone sprzężenia zwrotne.

Automatyczne systemy sterowania często obejmują dodatkowe recenzjeużywany do stabilizacji systemów lub poprawy w nich stanów nieustalonych. Nazywa się je czasem poprawczy a wśród nich są twardy (wykonywane za pomocą połączenia booster), elastyczny (realizowane przez relację różniczkową), izodromiczny itp.

W różnych systemach zawsze można znaleźć zamknięty łańcuch wpływów… Na przykład na ryc. 2, część B systemu działa na część D, a ta druga ponownie na C. Dlatego takie układy są również nazywane systemy o obiegu zamkniętym, systemy o obiegu zamkniętym lub systemy o obiegu zamkniętym.

W złożonych systemach może istnieć wiele różnych pętli sprzężenia zwrotnego. W systemie wieloelementowym dane wyjściowe każdego elementu mogą, ogólnie rzecz biorąc, wpływać na dane wejściowe wszystkich innych elementów, w tym jego własne dane wejściowe.

Każdy wpływ można rozpatrywać z trzech głównych aspektów: metabolicznego, energetycznego i informacyjnego. Pierwsza związana jest ze zmianami położenia, kształtu i składu materii, druga z przenoszeniem i transformacją energii, a trzecia z transmisją i transformacją informacji.

W teorii sterowania brana jest pod uwagę tylko informacyjna strona wpływów. Tak więc sprzężenie zwrotne można zdefiniować jako przekazanie informacji o wartości wyjściowej układu na jego wejście lub jako nadejście informacji przetworzonej łączem zwrotnym z wyjścia na wejście układu.

Zasada działania urządzenia opiera się na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. automatyczne systemy sterowania (ACS)… W nich obecność sprzężenia zwrotnego zapewnia wzrost odporności na zakłócenia dzięki zmniejszeniu wpływu zakłóceń (z na rys. 3) działających w przedniej części systemu.

Ryż. 3.

Jeżeli w układzie liniowym z połączeniami z transmitancjami Kx (p) i K2 (p) usuniemy pętlę sprzężenia zwrotnego, to obraz x wartości wyjściowej x jest określony zależnością:

Jeśli w tym przypadku wartość wyjściowa x ma być dokładnie równa działaniu odniesienia x *, to całkowite wzmocnienie systemu K (p) = K1 (p) K2 (p) musi być równe jedności i musi być brak ingerencji Z. Obecność z i odchylenie K (p) od jedności powodują błąd e, tj. różnica

Dla K (p) = 1 mamy

Jeśli teraz zamkniemy system za pomocą sprzężenia zwrotnego, jak pokazano na ryc. 3 obraz wielkości wyjściowej x wyznaczy następująca zależność:

Z zależności wynika, że ​​dla dostatecznie dużego modułu wzmocnienia Kx(p) drugi człon jest pomijalny, a zatem wpływ interferencji z jest pomijalny. Jednocześnie wartość wielkości wyjściowej x będzie się bardzo nieznacznie różniła od wartości zmiennej odniesienia.

W systemie zamkniętym ze sprzężeniem zwrotnym możliwe jest znaczne zmniejszenie wpływu szumu w porównaniu z systemem otwartym, ponieważ ten ostatni nie reaguje na aktualny stan kontrolowanego obiektu, jest „ślepy” i „głuchy” «aż do zmiany w tym stanie.

Weźmy jako przykład lot samolotem. Jeśli stery samolotu są wstępnie ustawione z dużą precyzją, tak aby leciał w określonym kierunku, i jeśli są sztywno zamocowane, to podmuchy wiatru i inne przypadkowe i nieprzewidziane czynniki zepchną samolot z pożądanego kursu.

Tylko system sprzężenia zwrotnego (autopilot) jest w stanie skorygować pozycję, która jest w stanie porównać zadany kurs x* z rzeczywistym x iw zależności od wynikłego odchylenia zmienić położenie steru.

Często mówi się, że systemy sprzężenia zwrotnego są oparte na błędach (rozbieżnościach). Jeżeli ogniwem Kx(p) jest wzmacniacz o odpowiednio dużym wzmocnieniu, to w pewnych warunkach nałożonych na transmitancję K2(p) przez resztę drogi układ pozostaje stabilny.

W takim przypadku błąd stanu ustalonego e może być dowolnie mały. Wystarczy, że pojawi się on na wejściu wzmacniacza Kx(p) aby powstało odpowiednio duże napięcie i powstało na jego wyjściu, które automatycznie kompensuje zakłócenia i zapewnia taką wartość x, przy której różnica e=x * — x byłoby wystarczająco małe.Najmniejszy wzrost e powoduje nieproporcjonalnie większy wzrost ti ... Dlatego każdą (w praktycznych granicach) interferencję z można skompensować, a ponadto przy dowolnie małej wartości błędu e ścieżka manewrowania o dużym wzmocnieniu jest często nazywany głębokim.

Sprzężenie zwrotne w systemach mieszanych ma również miejsce podczas funkcjonowania systemów złożonych, składających się z obiektów o różnym charakterze, ale działających celowo. Są to systemy: operator (człowiek) i maszyna, nauczyciel i uczeń, wykładowca i słuchacz, człowiek i urządzenie uczące się.

We wszystkich tych przykładach mamy do czynienia z zamkniętym łańcuchem wpływów. Poprzez kanały sprzężenia zwrotnego operator otrzymuje informacje o charakterze funkcjonowania sterowanej maszyny, trener – informacje o zachowaniu ucznia i wynikach szkolenia itp. We wszystkich tych przypadkach w procesie funkcjonowania zarówno treść informacji przekazywanych kanałami, a same kanały znacząco się zmieniają.