Zpětná vazba ve strojírenství je proces, který vede k tomu, že výsledek fungování systému ovlivňuje parametry, na kterých závisí fungování tohoto systému. Jinými slovy, signál úměrný jeho výstupnímu signálu (nebo v obecném případě funkcí tohoto signálu) je přiváděn na vstup systému . Často se to děje záměrně, aby se ovlivnila dynamika systému.
Rozlišujte mezi pozitivní a negativní zpětnou vazbou. Záporná zpětná vazba mění vstupní signál takovým způsobem, aby působila proti změně výstupního signálu. Díky tomu je systém odolnější vůči náhodným změnám parametrů. Kladná zpětná vazba naopak zesiluje změnu výstupního signálu. Systémy se silnou kladnou zpětnou vazbou mají tendenci stát se nestabilními, může v nich docházet k netlumeným oscilacím , to znamená, že se systém stává generátorem.
Samoregulační mechanismy existovaly od starověku a myšlenka zpětné vazby začala vstupovat do ekonomické teorie Velké Británie v 18. století, ale v té době nebyla uznávána jako univerzální, a proto neměla žádné jméno [1] .
Prvním známým umělým zpětnovazebním zařízením byl plovákový ventil , který udržoval vodu na konstantní úrovni, vynalezený v roce 270 př.nl v Alexandrii . Toto zařízení znázorňovalo princip zpětné vazby: nízká hladina vody otevře ventil , pak stoupající voda poskytuje zpětnou vazbu systému a uzavře ventil, když je dosaženo požadované hladiny. To se v kruhu opakuje, pokud hladina vody kolísá [2] .
K regulaci vzdálenosti a tlaku mezi mlýnskými kameny ve větrných mlýnech se od 17. století používaly odstředivé regulátory . V roce 1788 James Watt vyvinul svůj první odstředivý guvernér na návrh svého obchodního partnera Matthew Boulton pro použití v parních strojích . Rané parní stroje využívaly čistě vratný pohyb a sloužily k čerpání vody – tato aplikace není citlivá na změny provozních otáček, ale použití parních strojů v jiných případech vyžadovalo přesnější regulaci otáček.
V roce 1868 napsal James Clerk Maxwell slavnou práci „O regulátorech“, která je považována za klasiku v teorii řízení a matematice zpětné vazby [3] .
Fráze „zpětná vazba“, ve smyslu návratu na dřívější pozici v mechanickém procesu, byla poprvé použita ve Spojených státech v 60. letech 19. století [4] [5] a v roce 1909 nositel Nobelovy ceny Karl Ferdinand Braun použil termín „ zpětná vazba " jako podstatné jméno pro označení (nechtěného) spojení mezi součástmi analogového obvodu [6] .
V roce 1912 výzkumníci používající rané elektronické zesilovače ( audiony ) zjistili, že záměrné směrování části výstupního signálu zpět do vstupního obvodu zvýšilo zisk (prostřednictvím regenerace ), ale také způsobilo další šum v zařízení. Tato zpětná vazba od výstupu ke vstupu vedla v roce 1920 k použití termínu „zpětná vazba“ jako samostatného slova [7] .
V průběhu let došlo k určité kontroverzi ohledně nejlepší definice zpětné vazby. Podle Ashbyho matematici a teoretici zajímající se o principy mechanismů zpětné vazby preferují definici „cyklické akce“, která udržuje teorii jednoduchou a koherentní. Pro praktičtější účely musí zpětná vazba záměrně působit prostřednictvím nějakého hmatatelnějšího spojení.
Experimentátoři namítají proti matematické definici zpětné vazby, neboť v tomto případě je zpětná vazba přítomna v obyčejném kyvadle mezi jeho polohou a jeho hybností – „zpětná vazba“, což je z praktického hlediska poněkud mystické. Na to matematici namítají, že pokud by zpětná vazba měla působit pouze tehdy, když existuje skutečný drát nebo nerv , který ji reprezentuje, pak se teorie stává chaotickou a prošpikovanou nesrovnalostmi [8] .
Existuje také definice zpětné vazby jako "informace o mezeře mezi skutečnou úrovní a referenční úrovní systémového parametru", která se používá k "poněkud změnit mezeru". Zároveň informace sama o sobě není zpětnou vazbou, pokud není převedena do akce [9] .
Pozitivní zpětná vazba : Pokud je signál zpětné vazby z výstupu ve fázi se vstupním signálem, je zpětná vazba kladná.
Negativní zpětná vazba : Pokud má signál zpětné vazby opačnou polaritu nebo je fázově posunutý o 180° vzhledem ke vstupnímu signálu, pak se zpětná vazba nazývá negativní zpětná vazba.
Příkladem negativní zpětné vazby by byl systém tempomatu v autě, které splňuje cílovou rychlost . Řízeným systémem je automobil; jeho vstup zahrnuje kombinovaný točivý moment z motoru a z měnícího se sklonu vozovky.
Rychlost (stav) vozidla měří rychloměr . Chybový signál je odchylka rychlosti naměřené rychloměrem od nastavené rychlosti. Tato naměřená chyba je interpretována regulátorem pro nastavení akcelerátoru , který řídí tok paliva do motoru. Výsledná změna točivého momentu motoru , zpětná vazba, je kombinována se změnou točivého momentu v důsledku změn sklonu vozovky , aby se snížila chyba v rychlosti a zároveň se minimalizoval hluk z vozovky.
Termíny „pozitivní“ a „negativní“ byly poprvé aplikovány na zpětnou vazbu ve 20. letech 20. století se zavedením regeneračního obvodu [10] . V roce 1924 Friis a Jensen popsali regeneraci v sadě elektronických zesilovačů jako případ, kdy je „zpětná vazba“ pozitivní, na rozdíl od negativní zpětné vazby, kterou zmiňují jen okrajově [11] . Klasický článek Harolda Stephena Blacka z roku 1934 poprvé podrobně popisuje použití negativní zpětné vazby v elektronových zesilovačích. Podle Blacka kladná zpětná vazba zvyšuje zisk zesilovače, záporná zpětná vazba jej snižuje [12] . Nicméně ještě předtím, než byly tyto termíny poprvé použity, popsal James Clerk Maxwell několik druhů „komponentních pohybů“ spojených s odstředivými regulátory používanými v parních strojích , přičemž rozlišoval mezi těmi, které vedou ke stálému nárůstu rušení nebo amplitudy oscilací, a těmi, které vedou k jejich poklesu [13] .