Čo je to spätná väzba v elektronike a automatizácii
Spätná väzba je vplyv výstupnej hodnoty každého systému C (obr. 1) na vstup toho istého systému. Širšie spätná väzba — vplyv výsledkov fungovania systému na charakter tohto fungovania.
Na fungujúci systém môžu okrem množstva výkonu pôsobiť aj vonkajšie vplyvy (x na obr. 1). AV obvod, cez ktorý sa prenáša spätná väzba, sa nazýva spätnoväzbová slučka, linka alebo kanál.
Ryža. 1.
Samotný kanál môže obsahovať ľubovoľný systém (D, obr. 2), ktorý transformuje výstupnú hodnotu v procese jej prenosu. V tomto prípade sa spätná väzba z výstupu systému na jeho vstup uskutočňuje pomocou alebo prostredníctvom systému D.
Ryža. 2.
Spätná väzba je jedným z najdôležitejších pojmov v elektronike a teórii automatického riadenia. Konkrétne príklady implementácie systémov obsahujúcich spätnú väzbu možno nájsť pri štúdiu širokej škály procesov v automatických systémoch, živých organizmoch, ekonomických štruktúrach atď.
Vzhľadom na univerzálnosť koncepcie, použiteľnú v rôznych oblastiach vedy a techniky, nie je terminológia v tejto oblasti ustálená a každá konkrétna oblasť poznania spravidla používa vlastnú terminológiu.
Napríklad, v automatických riadiacich systémoch široko používaný koncepty negatívnej a pozitívnej spätnej väzby, ktoré definujú spojenie medzi výstupom systému a jeho vstupom cez spojenie zosilnenia so zodpovedajúcim záporným alebo kladným zosilnením.
V teórii elektronických zosilňovačov je význam týchto pojmov odlišný: spätná väzba sa nazýva negatívna, čo znižuje absolútnu hodnotu celkového zisku a pozitívna - zvyšuje ju.
V závislosti od implementačných metód v teórii existujú elektronické zosilňovače prúdové, napäťové a kombinované spätné väzby.
Automatické riadiace systémy často zahŕňajú dodatočné recenziepoužíva sa na stabilizáciu systémov alebo zlepšenie prechodových javov v nich. Niekedy sú tzv nápravné a medzi nimi sú ťažké (vykonávané pomocou pripojenia zosilňovača), flexibilný (realizované diferenciačným vzťahom), izodromické atď.
V rôznych systémoch vždy nájdete uzavretý reťazec vplyvu… Napríklad na obr. 2, časť B systému pôsobí na časť D a tá opäť na C. Preto sa také systémy nazývajú systémy s uzavretým okruhom, systémy s uzavretým okruhom alebo systémy s uzavretým okruhom.
V zložitých systémoch môže existovať mnoho rôznych spätnoväzbových slučiek. Vo viacprvkovom systéme môže výstup každého prvku vo všeobecnosti ovplyvniť vstupy všetkých ostatných prvkov, vrátane vlastného vstupu.
Každý vplyv možno posudzovať z troch hlavných aspektov: metabolického, energetického a informačného. Prvý súvisí so zmenami umiestnenia, tvaru a zloženia hmoty, druhý s prenosom a premenou energie a tretí s prenosom a premenou informácií.
V teórii riadenia sa uvažuje iba o informačnej stránke vplyvov. Spätnú väzbu teda možno definovať ako odovzdávanie informácie o výstupnej hodnote systému na jeho vstup alebo ako príchod informácie konvertovanej spätnoväzbovou väzbou z výstupu na vstup systému.
Princíp zariadenia je založený na aplikácii spätnej väzby. automatické riadiace systémy (ACS)… V nich prítomnosť spätnej väzby poskytuje zvýšenie odolnosti proti šumu v dôsledku zníženia vplyvu rušenia (z na obr. 3) pôsobiaceho v prednej časti systému.
Ryža. 3.
Ak v lineárnom systéme s prepojeniami s prenosovými funkciami Kx (p) a K2 (p) odstránite spätnú väzbu, potom je obraz x výstupnej hodnoty x určený nasledujúcim vzťahom:
Ak sa v tomto prípade požaduje, aby výstupná hodnota x bola presne rovná referenčnej akcii x *, potom sa celkový zisk systému K (p) = K1 (p) K2 (p) musí rovnať jednotke a musí byť žiadne rušenie z. Prítomnosť z a odchýlka K (p) od jednoty vedie k chybe e, t.j. rozdiel
Pre K (p) = 1 máme
Ak teraz zatvoríme systém pomocou spätnej väzby, ako je znázornené na obr. 3 bude obraz výstupnej veličiny x určený vzťahom:
Zo vzťahu vyplýva, že pre dostatočne veľký zosilňovací modul Kx (p) je druhý člen zanedbateľný a teda vplyv rušenia z je zanedbateľný. Zároveň sa hodnota výstupnej veličiny x bude veľmi málo líšiť od hodnoty referenčnej premennej.
V uzavretom systéme so spätnou väzbou je možné výrazne znížiť vplyv hluku v porovnaní s otvoreným systémom, pretože ten nereaguje na skutočný stav riadeného objektu, je „slepý“ a „hluchý“ «až do zmeny v tomto stave.
Vezmime si ako príklad let lietadlom. Ak sú kormidlá lietadla vopred nastavené s vysokou presnosťou tak, aby lietalo v určitom smere, a ak sú pevne pripevnené, nárazy vetra a iné náhodné a nepredvídané faktory zrazia lietadlo z požadovaného kurzu.
Korigovať polohu je schopný iba spätnoväzbový systém (autopilot), ktorý je schopný porovnať daný kurz x * so skutočným x a v závislosti od výslednej odchýlky zmeniť polohu kormidla.
O systémoch spätnej väzby sa často hovorí, že sú riadené chybami (rozpor). Ak je spoj Kx (p) zosilňovačom s dostatočne veľkým zosilnením, potom za určitých podmienok uložených na prenosovej funkcii K2 (p) zostáva systém uzavretej slučky stabilný.
V tomto prípade môže byť chyba e v ustálenom stave ľubovoľne malá. Stačí, že sa objaví na vstupe zosilňovača Kx (p), aby sa vytvorilo a na jeho výstupe vytvorilo dostatočne veľké napätie, ktoré automaticky kompenzuje rušenie a poskytne takú hodnotu x, pri ktorej je rozdiel e= x * — x by bolo dostatočne malé.Najmenší prírastok e spôsobuje nepomerne väčší prírastok ti... Preto je možné kompenzovať akékoľvek (v praktických medziach) rušenie z a navyše pri ľubovoľne malej hodnote chyby e je dráha manévrovania s vysokým ziskom. často nazývaný hlboký.
Spätná väzba v zmiešaných systémoch prebieha aj pri fungovaní zložitých systémov pozostávajúcich z objektov rôzneho charakteru, ale pôsobiacich účelovo. Sú to systémy: operátor (človek) a stroj, učiteľ a študent, prednášajúci a publikum, človek a učiace sa zariadenie.
Vo všetkých týchto príkladoch máme do činenia s uzavretým reťazcom vplyvov. Prostredníctvom spätnoväzbových kanálov operátor dostáva informácie o charaktere fungovania riadeného stroja, tréner - informácie o správaní sa žiaka a výsledkoch tréningu atď. Vo všetkých týchto prípadoch v procese fungovania obidva obsah informácií prenášaných kanálmi a samotné kanály sa výrazne menia.