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回饋

概念

回饋（英語：feedback）又稱反饋、回授，是控制論的基本概念，指將系統的輸出返回到輸入端並以某種方式改變輸入，它們之間存在因果關係的迴路，進而影響系統功能的過程。[1] 在這種情況下，我們可以說系統「回饋到它自身」。在討論回饋系統時，因果關係的概念應當特別仔細對待：

回饋的基本方塊圖

「對於回饋系統，很難作出簡單的推理歸因，因爲當系統A回饋到系統B，系統B又回饋到系統A，形成了循環。這使得基於因果關係的分析特別困難，需要將系統作爲一個整體來看待。」[2]

回饋可分為負回饋和正回饋。前者使輸出發揮與輸入相反的作用，使系統輸出與系統目標的誤差減少，系統趨於穩定；後者使輸出發揮與輸入相似的作用，使系統偏差不斷增加，使系統振盪，可以放大控制作用。對負回饋的研究是模控學的核心問題。

歷史

能夠自我調節的機器在古代就有，而回饋的概念是在十八世紀的英國進入經濟理論領域，但是當時並沒有人把它看作一個普適的抽象概念，所以並未為其命名。[3]

英語中回饋的動詞形式「to feed back」，意即機械過程中「返回到早先的狀態」，在1860年代開始在美國使用，[4][5] ，在1909年，諾貝爾獎獲得者卡爾·布勞恩開始將「feed-back」這個短語作為名詞來使用，表示電路中元件的之間的耦合。[6]

1912年底，研究者們在早期的電子放大器（奧迪恩真空三極體（英語：audion tube））上發現，如果經過精心調節地將其輸出的訊號返回到其輸入端（形成再生迴路（英語：Regenerative circuit）），可以增加其放大能力，但也可能導致真空管發生嘯叫。[7] 這樣從輸出到輸入的回饋機制，使得「回饋」（feedback）作為一個單獨的詞在1920年代出現了更高的使用頻率。[7]

在這之後的年代裡，關於怎樣定義回饋概念產生了一些爭論。阿什比（英語：William Ross Ashby） (1956)，數學家和理論家們對回饋機制中的「法則」感興趣，傾向於用「反應迴路」來定義回饋，因為這樣會使得理論簡潔而穩定；而另一些人的目的比較偏向實用，會把回饋看作是具體過程的一種衍生效應。

「[具體工作的操作者們]反對數學家的定義，他們指出，按照這個定義來說，那麼普通的鐘擺也是一種回饋...可以看做它的位置和動量之間的回饋——而這從實際操作的觀點看來屬於神秘主義。而數學家們反駁道，如果只是把回饋看作必須要真實的電路或者神經迴路才能承載的一種現象，那麼理論就成了毫無意義的混亂和密語。」[8]（p. 54）

針對管理理論中的應用，拉馬普拉薩德（Ramaprasad，1983）將回饋大致定義為「...關於系統參數中實際操作層面和參考層面之間跨度的資訊」，它可以用來「以某種方式改變這個跨度」。他強調，這個資訊本身並不是回饋，除非它能夠轉化為行動。[9]

類型

正回饋與負回饋

主條目：負回饋和正回饋
 
Maintaining a desired system performance despite disturbance using negative feedback to reduce system error.

回饋分為兩種：正回饋與負回饋。

汽車的巡航定速系統可以作為負回饋的一個例子，它會使得車速符合一個預先設定的速度上限。汽車的控制系統的輸入包括引擎的扭力和路面的坡度（擾動），而速度計可以測量車速。速度計得到的車速和目標速度（預先設定）之間的差距就是誤差訊號。控制器接收到這個訊號之後會改變加速度，控制流入引擎（效應器）的燃料增多。於是，引擎扭力發生改變，和路面坡度相關的扭力輸出的回饋減少了速度的誤差，縮小了路面造成的擾動。

回饋的「正」、「負」之分最早出現在二戰之前，正回饋的概念在1920年代的再生迴路中已經出現。[10] Friis和Jensen (1924) 將一些放大電路中的再生迴路作為「『回饋』是正向的」的例子，以此和他們順便提及的負回饋相區別。[11] 哈羅德·史蒂芬·布萊克1934年的經典論文首次詳述了在放大電路中的負回饋。布萊克認為： 「正回饋會增加放大的增益，而負回饋會減少它。」[12] Mindell (2002) 中描述了在此之後產生的混亂： 「...Friis和Jensen與布萊克以同樣的方式使用「正回饋」和「負回饋」這樣的區分，不是基於回饋自身的符號，而是基於它對於放大增益的作用效果。與之相反，Nyquist與Bode，當他們在布萊克的基礎之上工作時，以相反的方式來使用負回饋這個詞。布萊克難以向別人證明他的工作中的一致性，因為在基本的概念上存在著混亂。」[10]（p. 121）

早在這個概念得到使用之前，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋就描述過很多種與蒸汽機中的中的「運動形式」，區分了其中一些可以導致擾動或者擺動的持續增加，而另一些會使之減少。[13]

在生物系統如有機體，生態系統或生物圈中，大多數參數必須在特定的環境條件下保持在最佳水平附近的窄範圍內。這些受控參數和最佳值之間的偏差由內部和外部環境的變化引起。在某些環境條件時，參數變化的範圍也可能需要改變以維持系統的執行。受控參數的值由接收器記錄，並通過資訊通道傳送到調節模組。胰島素水平的振盪就是一個例子。

生物學中的回饋

生物系統包含許多類型的正向或負向調節環路，在這裡，正向或負向並不意味著回饋會產生好的或壞的影響。負回饋迴路傾向於減慢過程，而正回饋迴路傾向於加速過程。

正常的組織完整性通過不同細胞類型之間的回饋相互作用保持，這種相互作用是由粘附分子和充當媒介的分泌分子介導的。 癌症中這些關鍵回饋機制的失效破壞了正常的組織完整性[14]。 在受損或受感染的組織中，炎症媒介在細胞中引發回饋反應，改變基因表達，並改變細胞表達和分泌的分子類型，其中一些分子可以誘導多種細胞協同工作並修復組織的結構和功能。這種類型的回饋可以協調免疫反應並使機體從感染和傷害中恢復，因而具有非常重要的地位。在癌症期間，這種回饋的關鍵要素失效，並破壞了組織的功能和免疫力[15][14]。

回饋機制首先在細菌中得到闡明。在細菌中，營養源的變化引起一些代謝功能的變化[16]。回饋也是基因和基因調控網路運作的核心。抑制蛋白（參見Lac抑制子）和啟用蛋白存在於遺傳操縱子中，這些回饋迴路由弗朗索瓦雅各布和雅克莫諾於1961年發現。[17]這些回饋環路可以是正向的，也可以是負向的。

在較大尺度上，回饋也可以在受到外部變化的巨大影響時對動物種群產生穩定作用，儘管回饋反應的時間滯後會導致捕食者-獵物周期。[18]

在酶學中，回饋通過其直接產物或代謝途徑中的下游代謝物（參見變構調節）來調節酶的活性。

下視丘-垂體-腎上腺軸的活動在很大程度上是由正向和負向的回饋組成，但其中大部分仍然是未知的。

在心理學中，身體受到來自外部或內部的刺激並釋放激素。先釋放激素可能會引起更多的激素的釋放，從而產生正回饋迴圈。在某些行為中也發現了這種迴圈。例如，「羞恥迴圈」出現在容易臉紅的人身上。當他們意識到他們臉紅時，他們會變得更加尷尬，這會導致臉更紅等等[19]。

參見

參考文獻

  1. ^ Andrew Ford. Chapter 9: Information feedback and causal loop diagrams. Modeling the Environment. Island Press. 2010: 99 ff. ISBN 9781610914253. This chapter describes causal loop diagrams to portray the information feedback at work in a system. The word causal refers to cause-and-effect relationships. The word loop refers to a closed chain of cause and effect that creates the feedback. 
  2. ^ Karl Johan Åström, Richard M. Murray. §1.1: What is feedback?. Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. Princeton University Press. 2010: 1 [2015-12-03]. ISBN 9781400828739. （原始內容存檔於2015-09-15）.  Online version found here （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
  3. ^ Otto Mayr. Authority, liberty, & automatic machinery in early modern Europe. Johns Hopkins University Press. 1989. ISBN 0-8018-3939-4. 
  4. ^ "Heretofore ... it has been necessary to reverse the motion of the rollers, thus causing the material to travel or feed back, ..." HH Cole, "Improvement in Fluting-Machines", US Patent 55,469 (1866) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） accessed 23 Mar 2012.
  5. ^ "When the journal or spindle is cut ... and the carriage is about to feed back by a change of the sectional nut or burr upon the screw-shafts, the operator seizes the handle..." JM Jay, "Improvement in Machines for Making the Spindles of Wagon-Axles", US Patent 47,769 (1865) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） accessed 23 Mar 2012.
  6. ^ "...as far as possible the circuit has no feed-back into the system being investigated." [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Karl Ferdinand Braun, "Electrical oscillations and wireless telegraphy" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Nobel Lecture, 11 December 1909. Retrieved 19 Mar 2012.
  7. ^ 7.0 7.1 Stuart Bennett. A history of control engineering, 1800-1930. Stevenage; New York: Peregrinus for the Institution of Electrical Engineers. 1979 [2015-12-03]. ISBN 0-906048-07-9. （原始內容存檔於2020-06-25）.  [2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  8. ^ 參照錯誤：沒有為名為Ashby的參考文獻提供內容
  9. ^ Arkalgud Ramaprasad, "On The Definition of Feedback", Behavioral Science, Volume 28, Issue 1. 1983. Online PDF （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） last accessed 16 March 2012.
  10. ^ 10.0 10.1 David A. Mindell. Between Human and Machine : Feedback, Control, and Computing before Cybernetics.. Baltimore, MD, USA: Johns Hopkins University Press. 2002 [2015-12-03]. （原始內容存檔於2015-04-03）. 
  11. ^ Friis,H.T., and A.G.Jensen. "High Frequency Amplifiers" Bell System Technical Journal 3 (April 1924):181-205.
  12. ^ H.S. Black, "Stabilized feed-back amplifiers", Electrical Engineering, vol. 53, pp. 114–120, Jan. 1934.
  13. ^ Maxwell, James Clerk. On Governors (PDF) 16. Proceedings of the Royal Society of London: 270–283. 1868 [2015-12-03]. （原始內容存檔 (PDF)於2015-12-11）. 
  14. ^ 14.0 14.1 Zhou, Huan-Xiang. The debut of PMC Biophysics. PMC Biophysics. 2008, 1 (1): 1 [2019-01-11]. ISSN 1757-5036. doi:10.1186/1757-5036-1-1. （原始內容存檔於2020-06-06）. 
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  19. ^ Scheff, Thomas J. The Emotional/Relational World: Shame and the Social Bond. Handbooks of Sociology and Social Research. Springer US. : 255–268. ISBN 9780387324586. 

延伸閱讀

外部連結

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