日常生活中的反馈
在使用按钮开关方式进行数字录入的过程中, 我们第一次用到了 反馈 的功能, 是在一个与门上, 通过引入反馈, 成功地使与门记住了它的状态, 从而记住了输入的值.
这是我们第一次运用反馈这种设计, 当然, 反馈其实是无处不在的, 在我们日常生活中, 就有很多的例子.
自动水位控制
一个常见的反馈例子是自动的水位控制的. 其目标是在一个水池中保持一个适当的水位.
通过引入一个 浮标(float) , 浮标上部再连着一个 开关(switch), 开关则控制一个抽水机的电源. 如此一来, 当水位下降时, 在浮标的作用下, 开关闭合, 抽水机开始运作.
然后在水位升高到一定程度后, 同样在浮标的作用下, 开关再度断开, 抽水机停止运作.
通过利用水的浮力这样一种反馈, 水位便可以保持在一个合理的位置了.
汽轮机转速调节
另一个常见的反馈例子是汽轮机转速调节, 利用的是离心力来做反馈.
其目标是使汽轮机的转速维持在相对恒定的数值上. 方式也是通过一个活动的开关控制着蒸汽的阀门(valve).
这个活动开关受离心力的作用, 当汽轮机的转速过高时, 活动开关在离心力的作用下, 向外运动并带动阀门, 收窄进气通道, 从而降低蒸汽的进入量, 然后实现转速下降的目的, 如下动图所示:
反之, 当汽轮机转速过低时, 在较小的离心力作用下, 活动开关开始向内收缩, 带动阀门扩大进气通道, 增加蒸汽的进入量, 使转速提高.
正反馈与负反馈
反馈其实还可以分 负反馈 和 正反馈 两种.
在前述的水位控制和汽轮机转速调节的例子里, 其实都是一种负反馈, 其共同特征是可以让系统维持在某种稳定的状态下.
还是以汽轮机为例, 设想一下, 假如现在汽轮机进入了一个稳定状态, 之后负载发生了变化, 减轻了, 于是汽轮机转速开始上升, 这时, 活动开关应该是一种反向控制, 减少进气量.
如果活动开关不是反向控制, 反而是一种正向控制, 那么情况就很不乐观了. 如果随着汽轮机转速的上升, 活动开关反而使进气通道扩大的话, 增加的蒸汽将使得汽轮机转得更快!
然而事情还没有完, 当汽轮机转得更快时, 离心力更大, 它进一步促使活动开关控制的阀门扩得更大, 于是乎, 汽轮机的转速就可能失控, 严重的情况甚至损毁汽轮机!
这样的一种失控的反馈也就是正反馈.
音响与话筒构成的正反馈
生活中, 另一种常见的正反馈例子是位于户外的大会场中的音响和话筒.
在户外的大会场中开会时, 需要比较大功率的音响. 这种音响在静息的情况下, 通常都还会有一些电流的"滋滋"声.
在某些偶然随机的情况下, 电流的"滋滋"声可能在某个时刻波动到一个比较大的音量, 这个音量足以使得话筒能够捕捉到它, 然后经过电路的放大再次输出到音响, 然后被音响放大后的声音又再度回到话筒, 从而被进一步放大!
在这样的正反馈下, 很快就会演变成一个巨大的尖锐的声音.
小球的例子
其实, 关于正反馈和负反馈的一个最简单的示例是如下的两种状态的小球:
现在两个小球都处在平衡状态, 其中:
其中一个小球处在稳定的平衡中, 如果它受到一个向左或向右的力, 从而偏离它的稳定点的话, 在两侧负反馈环境的作用下, 它还是会回到它的稳定点上.
另一个小球则处在一种脆弱的平衡中. 如果它受到一个向左或向右的力, 哪怕这个力是很小的, 在两侧正反馈环境的作用下, 它会加速偏离它的稳定点.
带电粒子的运动
让我们再看一个例子. 你可能在物理课本中知道下述事实:
- 一个带电粒子在磁场中会受到力的作用, 从而运动起来;
- 一个运动的带电粒子会产生一个磁场.
现在问题来了, 假设有一个带电粒子处在静止状态, 然后轻轻推动它一下, 它会怎么样呢?
或者更具体的说, 它会处在正反馈还是负反馈中? 答案一定是负反馈!
为什么呢? 因为有 能量守恒定律.
设想这是一个正反馈会是怎样呢? 我们轻轻推动一个静止的带电粒子, 它开始运动起来, 它运动又会产生磁场, 于是它在自身运动产生的磁场中运动.
如果这个磁场还能进一步加速它的运动, 也即是一个正反馈的磁场, 那么它就运动得越快! 然后因为它运动得越快, 它因此产生了一个更大的磁场...
所以你看到问题了吗? 如果是这样的话, 这个带电粒子, 我们轻轻一碰, 它就越跑越快, 能量越来越大, 这显然是不符合能量守恒的.
就像前面处在山顶中的小球那样, 轻轻一推, 它就越跑越快!
在上述情况下之所以可能是因为处在山顶本身是一个高势能状态, 是这种势能转换成了动能.
所以, 唯一可能的情况只能是负反馈. 当我们触碰这个粒子时, 它运动时产生的磁场一定是阻碍它运动的.
就像前面处在凹槽中小球那样, 有一个反作用时刻阻碍着它偏离它的平衡态. 可以说, 它们都是有着某种 惯性 的.
如果想让它们在一个方向持续的动起来, 只能是从外界不断注入能量才行.
振荡
最后, 在负反馈的作用下, 系统也不一定就能平衡.
还是看汽轮机的例子. 现在假设这个反馈是非常灵敏且力度是非常大的, 那么会是什么结果呢?
假设汽轮机处在某个平衡状态下, 现在因为某个扰动, 比如负载增加了, 失衡了, 转速下降. 如果反馈的力度很大, 一下子让阀门打开过大, 蒸汽大量输入, 甚至超过了刚才的负载, 于是汽轮机不但回到了之前的转速上, 甚至还能转得更快.
而它转得更快, 因为灵敏且力度很大的负反馈的存在, 则又突然让阀门打开过小, 于是蒸汽大量减少, 转速又迅速下降, 再度进入一个负反馈中...
于是乎, 这个汽轮机就这么"一惊一乍"的, 忽而转得快, 忽而转得慢, 进入了一种振荡的状态.
那么, 在我们的门电路中, 是否也有如此振荡的可能呢? 还真有, 在下一节, 我们再来细看这样一种反馈.