負反饋

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負反饋(negative feedback)

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什麼是負反饋

  負反饋又稱負回授,是反饋的一種。是指系統的輸出會影響系統的輸入,在輸出變動時,所造成的影響恰和原來變動的趨勢相反;反之,就稱為正反饋。另一種說法是系統在一個條件變化時,系統會作出抵抗該變化的行為。例如人的體溫上升時會流汗,流汗會散熱使體溫下降,就是負反饋的一個例子,在自然界有許多系統有負反饋的特性。

  在特定的條件下,負反饋會使系統趨於穩定,負反饋的研究是控制理論的核心問題。

負反饋的例子

  機械工程

  在1788年,瓦特為了控制蒸汽機速度所設計的離心式調速器就是利用負反饋的原理。這也是第一個自動控制系統

  在離心式調速器中有二顆重球,其旋轉速度和蒸汽機相同,當蒸汽機的速度提高時,重球因離心力移到調速器的外側,因此會帶動機構,關閉蒸汽機進氣閥門,降低蒸汽機速度,當蒸汽機速度過低時,重球會移到調速器的內側,會再開啟蒸汽機進氣閥門,增加蒸汽機速度。依此原理即可將蒸汽機的速度控制在一定範圍內。

  控制

  控制系統中常使用負反饋系統,例如自動調溫器、鎖相環、荷爾蒙的調節(如上方的圖示)及動物體內的溫度調節。此時要控制的量視為系統的輸出。

  以自動調溫器在暖氣系統的應用為例,當房間內的溫度低於設定的下限溫度時,自動調溫器會打開暖氣系統,而當溫度高於上限溫度時,自動調溫器會關閉暖氣系統,若下限溫度和上限溫度很接近時,就可以使室溫控制在一個穩定的範圍。類似的原理也用在冷卻系統中,如冷氣及冰箱。

  控制系統中使用負反饋不表示系統一定穩定。BIBO穩定性及李雅普諾夫穩定性可用來定義系統的穩定性,奈奎斯特穩定判據可以判別線性非時變系統是否穩定。

  生物

  生物體內有許多的負反饋系統,如維持血壓穩定的感壓反射(baroreflex)、體溫及血糖的恆定等。若反饋系統失靈,可能會出現一些不良的影響。以血糖恆定的反饋系統出現問題,血液中的血糖濃度會劇烈的昇高,因而造成糖尿病。

  荷爾蒙的分泌也受到負反饋系統的控制:當腺體X分泌荷爾蒙X,目的器官收到後會分泌荷爾蒙Y,當荷爾蒙Y已到達一定量時,腺體X㞊會停止荷爾蒙X的分泌。

  經濟

  在經濟領域中,政府的自動財政政策(automatic stabiliser)也是一種負反饋,利用固定的稅率及政府開支來緩和GDP的變化。根據邊際效益遞減效應,在消費量增加後,單位消費量的效益(即邊際效益)會減少,也可以視為是一種負反饋。

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