负反馈

✍ dations ◷ 2025-06-28 22:39:22 #控制理论,控制论,电子反馈,电子学术语,信号处理,电路分析,电子设计

负反馈(英语:negative feedback),是反馈的一种。是指系统的输出会影响系统的输入,在输出变动时,所造成的影响恰和原来变动的趋势相反;反之,就称为正反馈。另一种说法是系统在一个条件变化时,系统会作出抵抗该变化的行为。例如人的体温上升时会流汗,流汗会散热使体温下降,就是负反馈的一个例子;在自然界有许多系统有负反馈的特性,其他例子包括勒沙特列原理和楞次定律。

在特定的条件下,负反馈会使系统趋于稳定,负反馈的研究是控制理论的核心问题。

在物理系统及生物系统中,许多不同的影响会互相制衡,例如说在生物体内,某一种化学物质会使生物系统趋向一特定状态,而另外一种化学物质会使系统远离该状态,若其中至少有一种的影响是非线性的,就可能会有平衡点出现。在生物学或生物化学中,以上的机制称为恒定,在力学中,以上的机制称为平衡。

负反馈中的“负”表示在数学模型中,反馈部分的系数为负。若以下式表示一个系统

负反馈可以说是在输入部分加上以下的量,来抵消输出的变化。

因此在有扰动时,负反馈可以抵消输出的影响。

相反的,正反馈的系统,输出变动时,系统会放大原来的输出变动,无法达到平衡的效果。不论是正反馈或负反馈的系统都会有反馈回路,使输出可以再影响系统。

负反馈可用来控制系统,使系统的实际输出达到其理想值。

在1788年,瓦特为了控制蒸汽机速度所设计的离心式调速器就是利用负反馈的原理。这也是第一个自动控制系统。

在离心式调速器中有二颗重球,其旋转速度和蒸汽机相同,当蒸汽机的速度提高时,重球因离心力移到调速器的外侧,因此会带动机构,关闭蒸汽机进气阀门,降低蒸汽机速度,当蒸汽机速度过低时,重球会移到调速器的内侧,会再开启蒸汽机进气阀门,增加蒸汽机速度。依此原理即可将蒸汽机的速度控制在一定范围内。

控制系统中常使用负反馈系统,例如自动调温器、锁相环、荷尔蒙的调节(如上方的图示)及动物体内的温度调节。此时要控制的量视为系统的输出。

以自动调温器在暖气系统的应用为例,当房间内的温度低于设定的下限温度时,自动调温器会打开暖气系统,而当温度高于上限温度时,自动调温器会关闭暖气系统,若下限温度和上限温度很接近时,就可以使室温控制在一个稳定的范围。类似的原理也用在冷却系统中,如冷气及冰箱。

控制系统中使用负反馈不表示系统一定稳定。BIBO稳定性及李雅普诺夫稳定性可用来定义系统的稳定性,奈奎斯特稳定判据可以判别线性非时变系统是否稳定。

生物体内有许多的负反馈系统,如维持血压稳定的感压反射(baroreflex)、体温及血糖的恒定等。若反馈系统失灵,可能会出现一些不良的影响。以血糖恒定的反馈系统出现问题,血液中的血糖浓度会剧烈的昇高,因而造成糖尿病。

荷尔蒙的分泌也受到负反馈系统的控制:当腺体X分泌荷尔蒙X,目的器官收到后会分泌荷尔蒙Y,当荷尔蒙Y已到达一定量时,腺体X就会停止荷尔蒙X的分泌。

在经济领域中,政府的自动财政政策(automatic stabiliser)也是一种负反馈,利用固定的税率及政府开支来缓和GDP的变化。根据边际效益递减效应,在消费量增加后,单位消费量的效益(即边际效益)会减少,也可以视为是一种负反馈。

负反馈的放大器是贝尔实验室的哈罗德·史蒂芬·布莱克(英语:Harold Stephen Black)在1927年发明,在1934年申请专利。负反馈常用在许多种类的放大器系统(例如运算放大器)中,主要目的都是为了稳定系统和改善系统特性。

基本上所有的电子元件(像真空管、晶体管、MOSFET)都有一部分非线性的特性,使用负反馈可以提高线性度,不过会牺牲一些增益。假设有一个放大器在某一频率范围内的开路增益太大,不配合负反馈时,该频率范围的回授信号会特别大。若配合负反馈使用时,因为回授信号来自于输出端,该频率范围的回授信号也会特别的大,和输入信号相减后,可以缓和该频率范围输出信号的变化。

虽然负反馈可以使线性度提高,不过若设计不当也可能会使系统不稳定,出现振荡。贝尔实验室的哈里·奈奎斯特有提出理论,说明如何稳定一个不稳定的系统。

相关

  • 儿科小儿科(或称儿科)是现代医学的一个分支,专门医疗患病的婴儿、儿童及青少年。最大的年龄通常至青春期。一个受到这方面知识专门训练的医生被称作儿科医生。
  • 粗体粗体是在正常字体样式(或字型)的基础上,通过加粗笔画实现的一种字体样式。例如,“维基百科”的粗体样式为“维基百科”。粗体的英文是bold,在字体编辑软件中,往往以B作为加粗字体
  • 化学尾迹化学尾迹阴谋论(英语:Chemtrail Conspiracy Theory)是长效的凝结尾迹的虚假断言。支持者称这种尾气由高空飞行的航班遗留在天空中,含有生化武器成分,出于不可告人的故意喷洒。理
  • Gsub2/sub期G2期是间期的第三个也是最后一个阶段。细胞在S期完成了DNA复制后进入G2期,G2期结束后,前期随即开始,染色质凝聚为染色体,核膜也开始解体。G2期中细胞快速生长并大量合成有丝分裂
  • 假交替单胞菌属假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)是一类海洋细菌。该属细菌在深海沉积物中广泛存在,且多数具有较强的胞外蛋白酶活性。在实验室培养该属细菌时,菌落生长较快,一般是乳白色菌落
  • 澳洲野狗澳洲野犬(学名:Canis lupus dingo)或丁格犬(英语:dingo)是一群史前已经野化的犬,是狼的次级亚种,可能源自伊朗狼(Canis lupus pallipes),尽管叫做澳洲野犬,但其分布并不限于澳大利亚,也不
  • 民航相关事业列表公路总局 民用航空局 高速公路局 航港局 铁道局台湾铁路管理局 中华邮政公司 台湾港务公司 桃园国际机场公司国道 省道 县道 - 市道(列表) 乡道 - 区道 专用公路 编号与名称对
  • 广东省粤东行政区 (1952–1956)粤东行政区,中华人民共和国广东省已撤销的行政区,在今广东省东部。1952年置,行政公署驻潮安县(今潮州市)。辖原潮汕专区所属潮安、饶平、南澳、澄海、潮阳、惠来、普宁、揭阳8县;
  • 佛罗里达新学院佛罗里达新学院(New College of Florida)是位于美国佛罗里达州萨拉索塔的一所公立文理学院,为佛罗里达州立大学系统成员。该学院创立于1960年,资金来自于联合基督教会,在2017年《
  • 托马斯·皮凯蒂汤玛斯·皮凯蒂(法语:Thomas Piketty,法语发音:.mw-parser-output .IPA{font-family:"Charis SIL","Doulos SIL","Linux Libertine","Segoe UI","Lucida Sans Unicode","Code200