Положительные и отрицательные обратные связи

Мальчика звали Гемфри Поттер. Жил он в Англии два с половиной века назад, был беден, поэтому с детства должен был зарабатывать себе на хлеб. Трудился он на шахте. Там откачивали воду при помощи паровой машины.

Действовала она так: в цилиндр под поршень впускался из парового котла пар. Он поднимал поршень до самого верха. Потом паровой кран закрывали, открывали водяной кран, и в цилиндр поступала холодная вода. Пар конденсировался, в цилиндре образовывалась пустота, и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз. Движение поршня передавалось насосу.

Обязанности Гемфри Поттера были просты: поочередно открывать и закрывать краны. Когда ему надоела такая однообразная работа, он решил поручить ее... самой машине.

Гемфри связал шток поршня и краны веревочками. Как только поршень оказывался вверху, веревочки натягивались, закрывали паровой и открывали водяной кран. В нижнем положении открытым оказывался паровой кран, а водяной - закрытым.

Этот принцип сейчас используется во многих устройствах. Возьмем, например, автомобильный двигатель. В нем в строгой последовательности открываются то одни, то другие клапаны и чередуются такты: всасывание рабочей смеси, сжатие ее, сжигание смеси - рабочий ход и выпуск газов.

В технике существуют условные понятия: вход и выход машины. В паровой установке вход - это подача пара, выход - движение поршня. Если они между собой связаны таким образом, что всякие изменения на выходе в большей или в меньшей степени отражаются на входе, то говорят, что осуществлена обратная связь, т. е. связь выхода с входом.

В паровой машине или автомобильном двигателе эта связь положительная. Чем быстрее движение поршня двигателя внутреннего сгорания (выход машины), тем чаще открываются и закрываются клапаны (вход машины), впуская горючую смесь и выпуская выхлопные газы.

Положительная обратная связь широко применяется не только в механических устройствах, но и в электрических схемах, например в некоторых типах радиоприемников. Вам, вероятно, известно, что усиление принимаемого радиосигнала в приемнике зависит от числа ламповых каскадов. Но этих каскадов можно делать меньше (и получить большее усиление), если осуществить положительную обратную связь цепи анода лампы (выход) с цепью ее управляющей сетки (вход). В атом случае за счет энергии источников питания сигнал на управляющей сетке оказывается значительно больше, следовательно, и на выходе, после усиления, он также будет - более мощным.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания. Пример положительной обратной связи. Движение поршня передается на клапаны.

Иная цель у обратной связи в автоматических регуляторах. Каждый такой прибор имеет чувствительный элемент - датчик, или первичный преобразователь: устройство, которое чутко реагирует на изменение частоты вращения вала машины, уровня жидкости в баке, температуры в печи, концентрации кислоты в растворе и т. д.

В автоматическом регуляторе, созданном И. И. Пол-зуновым, чувствительным элементом служил поплавок. Когда вода поднималась выше нужного уровня, поплавок поднимался вместе с ней и тянул за собой рычаг, который перемещал заслонку, прекращая подачу воды в котел.

Многим известен центробежный регулятор частоты вращения в паровой машине. Если вал машины начнет вращаться слишком быстро, шары регулятора разойдутся. Это изменение положения шаров тотчас передастся через систему рычагов заслонке, и в машину будет поступать меньшее количество пара, топлива или воды. Частота вращения вала сразу изменится. При замедлении вращения регулятор, открывая заслонку, увеличивает поступление пара или топлива и устанавливает определенную частоту вращения вала.

Во всех подобных регуляторах тоже осуществлена связь выхода с входом. Но связь эта иного характера, ее называют отрицательной обратной связью, так как на увеличение уровня воды или частоты вращения вала регуляторы отвечают уменьшением подачи воды, топлива.

Регулятор частоты вращения в паровой машине. При увеличении частоты вращения вала шары регулятора расходятся и поднимают плечо коромысла; другое плечо, опускаясь, давит на заслонку, которая уменьшает подачу пара в паровую машину, и частота вращения вала уменьшается.

Обратная связь - необходимый элемент современных автоматических машин и механизмов. Создавая ее, человек, порой бессознательно, копировал... собственный организм. Чувствительные клетки любого живого организма постоянно получают сигналы от внутренних органов и из внешнего мира. По нервным волокнам эти сигналы поступают в мозг, который их анализирует и отдает команды различным органам.

Вы вошли с мороза в теплую комнату. Теплочувствительные клетки кожи тотчас зарегистрировали повышение температуры и сообщили об этом в мозг, откуда подается команда сердцу, и оно снижает темп работы, кровообращение становится менее интенсивным.

Однако обратные связи в живом организме значительно сложнее, чем в любой автоматической машине (см. статьи "Высшая нервная деятельность" и "Нервная система" в т. 7 ДЭ). Организм человека или животного реагирует на полученное раздражение только после того, как мозг сравнит поступившие сигналы между собой, проанализирует их и отдаст соответствующую команду. Есть свои "органы чувств" и у автоматов: это всевозможные датчики, усилители, реле и т. п.

перейти к началу страницы