Feedback -ul negativ ( NFB ) este un tip de feedback în care o modificare a semnalului de ieșire al sistemului duce la o astfel de modificare a semnalului de intrare care contracarează modificarea inițială.
Cu alte cuvinte, feedback-ul negativ este o astfel de influență a ieșirii sistemului asupra intrării („revers”), care reduce efectul semnalului de intrare asupra sistemului.
Feedback-ul negativ face sistemul mai rezistent la modificări aleatorii ale parametrilor.
Metodele de analiză matematică a sistemelor, inclusiv cele acoperite de feedback negativ, sunt luate în considerare în detaliu de teoria controlului automat .
Unul dintre cele mai simple exemple este dispozitivul celui mai simplu rezervor de scurgere. Pe măsură ce rezervorul de scurgere se umple, nivelul apei din acesta crește, ceea ce duce la plutirea flotorului, care blochează fluxul suplimentar de apă.
Feedback-ul negativ este de mare importanță în generarea de energie pentru a stabiliza parametrii de calitate a energiei - tensiune și frecvență . Când sarcina electrică fluctuează, căderea de tensiune între înfășurările generatorului și firele de ieșire se modifică, adică tensiunea de ieșire a generatorului se modifică, iar viteza generatorului se schimbă adesea , mai ales în cazurile în care generatorul nu este instalat ca unitate auxiliară (de exemplu , pe un motor de mașină sau de avion), a este generatorul principal al unei centrale electrice sau al unei locomotive diesel, iar fluctuațiile puterii acesteia au o mare influență asupra motorului de antrenare. Când viteza fluctuează, tensiunea generatorului se modifică, de asemenea, deoarece EMF generator este proporțional cu viteza , iar dacă generatorul produce curent alternativ , atunci frecvența. Prin urmare, în tandem cu aproape fiecare generator utilizat pentru alimentarea cu energie (aceasta nu include tahogeneratoarele și alte mașini electrice speciale), funcționează unul sau mai multe regulatoare cu feedback negativ.
Regulatorul de tensiune (PH) controlează aproape întotdeauna excitația (fluxul magnetic) al generatorului prin reglarea curentului în înfășurarea de excitație (inductor) - atunci când tensiunea scade, regulatorul crește curentul de excitație, EMF generator crește și tensiunea este restaurat; atunci când tensiunea este crescută, are loc procesul invers. PH poate fi instalat în generatorul în sine, așa cum se face în majoritatea generatoarelor auto moderne - regulatorul este realizat într-o singură carcasă cu perii care furnizează curent de excitație rotorului (în jargon, această unitate este numită „tabletă” pentru forma caracteristică a carcasei regulatorului), poate fi instalat separat - de exemplu, la majoritatea aeronavelor, generatoarele sunt instalate pe motoare, adică într-o zonă nepresurizată, iar unitățile de control sunt în fuzelaj lângă aparatul de comutare , adică feedback-ul negativ ia în considerare luați în considerare căderea de tensiune atât pe înfășurările generatorului, cât și pe firele de la generator la tabloul de distribuție.
Controloarele de frecvență, datorită varietății de tipuri de motoare de antrenare și a raporturilor de putere ale generatorului și ale motorului, sunt foarte diferite. În unele cazuri, funcționarea regulatorului propriu al motorului de antrenare este suficientă, de exemplu, o supapă de mers în gol a unui motor cu injecție sau un regulator diesel - în acest caz, generatorul nu este deloc inclus în circuitul de protecție a mediului, regulatorul motorului , detectarea unei scăderi a vitezei (cu creșterea sarcinii generatorului) sau a unei creșteri a vitezei (cu scăderea sarcinii), respectiv crește sau scade alimentarea cu combustibil. În alte cazuri, motorul și generatorul sunt conectate printr-un feedback sau altul - de exemplu, un reostat este instalat în regulatoarele motoarelor diesel (de exemplu, în regulatorul ChME3 ) sau un senzor inductiv (în regulatorul 2TE116 , etc. ), care, atunci când motorul diesel este încărcat puternic, reduce excitația generatorului principal , protejând motorina de suprasarcină.
De asemenea, poate exista unul sau altul dispozitiv de control al frecvenței între motor și generator - de exemplu, designul sursei de alimentare a aerodromului APA-50 include un cuplaj variabil de fluid de umplere , iar alternatoarele aeronavelor montate pe motoarele principale sunt adesea instalate pe unități de viteză constantă . PPO poate fi fie pur mecanic (aer PPO-40, hidrostatic GP21 ), fie poate avea control electric - de exemplu, pe Tu-154M , Il-76 și alte avioane există unități de control al frecvenței BRCH-62, ajustând PPO atunci când frecvența generatoarelor se abate de la nominală (400 Hz).
Feedback-ul negativ este utilizat pe scară largă în sistemele de tracțiune ale locomotivei . Cel mai simplu exemplu este înfășurarea anti-compusă a unui excitator (un mic generator care produce curentul de excitație al motoarelor principale). Este înfășurat pe polii excitatorului împreună cu înfășurarea principală (independentă) de excitație și curentul motoarelor de tracțiune circulă prin el , dar direcția curentului în el este astfel încât fluxul său magnetic acționează împotriva fluxului principal. serpuit, cotit. Dacă curentul motoarelor este mic, atunci nu are prea mult efect asupra fluxului de excitație rezultat, dar pe măsură ce curentul crește, fluxul înfășurării anti-compus crește și fluxul rezultat scade. Ca urmare, tensiunea excitatorului scade și, odată cu aceasta, curentul motoarelor de tracțiune.
Această protecție a mediului este importantă la locomotivele diesel pentru a preveni blocarea și supraîncărcarea echipamentelor, la locomotivele electrice VL8 , VL10 , VL11 și altele, unde este instalat un convertor cu înfășurare anti-compusă pentru a excita motoarele în timpul frânării electrice (recuperare) - pentru a preveni deraparea și supraîncărcarea echipamentului. În timpul recuperării, dacă tensiunea rețelei de contact scade brusc (tracțiunea este pornită pe o altă locomotivă electrică, substația este oprită), atunci curentul de recuperare crește brusc, deoarece diferența de tensiune dintre rețeaua de contact și motoarele de tracțiune care funcționează în modul generator crește, iar odată cu curentul, crește și forța de frânare, până la defecțiunea seturilor de roți în derapaj. Dar curentul care circulă prin înfășurarea anti-compusă reduce tensiunea convertizorului, curentul de excitație și, în consecință, tensiunea motoarelor, reducând diferența de tensiune dintre rețea și motoare. Procesul invers are loc atunci când tensiunea rețelei crește.
În sistemele de excitare ale generatoarelor de locomotive diesel, care sunt mai complexe decât sistemul cu un excitator cu mai multe înfășurări, există mai multe circuite de protecție a mediului - pentru curent (efectuat pe un senzor de curent de un design sau altul), tensiune (protejează echipamentul de creșterea excesivă a tensiunii generatorului principal), boxing (la boxing , adică o creștere a vitezei de rotație a unuia sau mai multor seturi de roți din cauza pierderii aderenței la șine, reduce sau înlătură complet excitația generatorului) etc. .
Harold Black a fost primul care a folosit ideea feedback-ului negativ în electronică pentru a îmbunătăți liniaritatea câștigului pentru telecomunicațiile intercontinentale. Esența ideii este de a sacrifica o parte din câștig de dragul îmbunătățirii liniarității semnalului de ieșire. Un amplificator de semnal electronic clasic ( tub electronic , tranzistor cu efect de câmp etc.) introduce distorsiuni neliniare în forma de undă. Prin urmare, prin scăderea fracției din semnalul de ieșire împărțit la câștigul din semnalul de intrare , se poate obține forma distorsiunii neliniare în sine. Apoi, prin aplicarea unei distorsiuni inverse semnalului de intrare, puteți obține un semnal compensat, care, trecând prin amplificator, va avea neliniaritate redusă.
Un exemplu ilustrativ de utilizare a feedback-ului negativ este construcția unui amplificator cu un câștig stabil bazat pe un amplificator operațional (op-amp).
Să fie dat un amplificator operațional cu un câștig de aproximativ 10 6 . Pe baza acestui amplificator operațional, trebuie să construiți un amplificator cu o impedanță de intrare de cel puțin 5 kOhm și un câștig de 3 (pentru un amplificator fără inversare K=1+R2/R1). Pentru a face acest lucru, un rezistor cu o rezistență puțin mai mare decât intrarea necesară (să zicem, 7 kOhm) este plasat pe intrarea de inversare a amplificatorului operațional și un rezistor cu o valoare nominală de 2 ori mai mare este plasat în circuitul de feedback. . Formula analitică arată că această metodă de construire a amplificatoarelor este aproximativă, totuși, datorită valorii mari a câștigului, eroarea din ipotezele aplicate este mai mică decât din inexactitatea elementelor de fabricație.
NFB oferă de obicei performanțe bune amplificatorului, dar acest lucru este valabil, în general, numai pentru amplificarea DC sau de joasă frecvență. Deoarece, odată cu creșterea frecvenței, întârzierea introdusă de amplificator începe să dea o schimbare semnificativă de fază a semnalului amplificat, atunci OOS nu funcționează în conformitate cu calculul. Dacă continuăm să creștem frecvența, atunci când întârzierea devine aproximativ o jumătate de perioadă de semnal (adică aproximativ 180 de grade în fază), atunci OOS se va transforma în POS , iar amplificatorul într-un generator. Pentru a preveni acest lucru, circuitul NFB trebuie făcut dependent de frecvență.
În amplificatoarele cu microunde , feedback-ul nu este aplicabil, deci este foarte dificil să stabilizați câștigul cascadelor de microunde. Cu toate acestea, dacă trebuie să stabilizați nu câștigul, ci amplitudinea (puterea) semnalului de ieșire, acest lucru este ușor de implementat sub formă de AGC .
OOS este utilizat în stabilizatoarele de tensiune (nu în toate cazurile).
Feedback-ul negativ este utilizat pe scară largă de sistemele vii la diferite niveluri de organizare - de la celule la ecosisteme - pentru a menține homeostazia . De exemplu, în celule, multe mecanisme de reglare a activității genelor (de exemplu, operonul triptofan ) se bazează pe principiul feedback-ului negativ , precum și pe reglarea activității enzimelor ( inhibarea căii metabolice până la sfârșit ). produs). În organism , sistemul de reglare a funcțiilor hipotalamo-hipofizare se bazează pe același principiu , precum și pe multe mecanisme de reglare nervoasă care susțin parametrii individuali ai homeostaziei (termoreglarea, menținerea unei concentrații constante de dioxid de carbon și glucoză în sânge, etc.). La populații, feedback-urile negative (de exemplu, o relație inversă între densitatea populației și fecunditatea indivizilor) asigură homeostazia numerelor. Feedback-ul negativ poate fi folosit pentru a normaliza greutatea corporală a unei persoane în obezitate , pentru care conținutul de calorii al dietei este ajustat periodic (de exemplu, săptămânal) prin urmărirea dinamicii greutății corporale.
Feedback-ul negativ în organismele vii are loc conform principiului că receptorul (detectorul) primește iritații din mediul înconjurător și, cu ajutorul sistemului nervos, transmite regulatorului un semnal despre iritația într-una sau alta parte a corpului. Apoi, informațiile despre iritație sunt transmise efectorului , care eliberează hormoni în sânge. Astfel, deviația în organism este normalizată. Acest principiu poate fi luat în considerare pe exemplul reglării nivelului de tiroxină din sânge.
Într-un corp viu, ca într-o mașină cu acțiune proprie, regulatoarele, evident, pot fi doar automate, adică. este pus în acțiune de condițiile schimbate în starea sau cursul mașinii (organismului) și dezvoltă activități prin care aceste nereguli sunt eliminate”, scria I.M. Sechenov încă din 1897, anticipând prevederile ciberneticii privind mecanismele de autoreglare în corpul uman.
Astfel, I.M. Sechenov a formulat principiul „feedback-ului negativ”, care stă la baza proceselor de control automat într-o mașină și un organism viu.