Retroalimentación negativa
Retroalimentación negativa (o retroalimentación de equilibrio) ocurre cuando alguna función de la salida de un sistema, proceso o mecanismo se retroalimenta de una manera que tiende a reducir la fluctuaciones en la salida, ya sea causadas por cambios en la entrada o por otras perturbaciones.
Mientras que la retroalimentación positiva tiende a generar inestabilidad a través del crecimiento exponencial, la oscilación o el comportamiento caótico, la retroalimentación negativa generalmente promueve la estabilidad. La retroalimentación negativa tiende a promover el establecimiento del equilibrio y reduce los efectos de las perturbaciones. Los bucles de retroalimentación negativa en los que se aplica la cantidad justa de corrección con una sincronización óptima pueden ser muy estables, precisos y receptivos.
La retroalimentación negativa se usa ampliamente en la ingeniería mecánica y electrónica, y también dentro de los organismos vivos, y se puede ver en muchos otros campos, desde la química y la economía hasta los sistemas físicos, como el clima. Los sistemas generales de retroalimentación negativa se estudian en la ingeniería de sistemas de control.
Los bucles de retroalimentación negativa también juegan un papel integral en el mantenimiento del equilibrio atmosférico en varios sistemas de la Tierra. Uno de esos sistemas de retroalimentación es la interacción entre la radiación solar, la cubierta de nubes y la temperatura del planeta.
Descripción general
En muchos sistemas físicos y biológicos, las influencias cualitativamente diferentes pueden oponerse entre sí. Por ejemplo, en bioquímica, un conjunto de productos químicos impulsa el sistema en una dirección determinada, mientras que otro conjunto de productos químicos lo impulsa en una dirección opuesta. Si una o ambas de estas influencias opuestas no son lineales, se obtienen puntos de equilibrio.
En biología, este proceso (en general, bioquímico) a menudo se denomina homeostasis; mientras que en mecánica, el término más común es equilibrio.
En ingeniería, matemáticas y ciencias físicas y biológicas, los términos comunes para los puntos alrededor de los cuales gravita el sistema incluyen: atractores, estados estables, estados propios/funciones propias, puntos de equilibrio y puntos de ajuste.
En teoría de control, negativo se refiere al signo del multiplicador en modelos matemáticos para retroalimentación. En notación delta, la salida −Δ se suma o se mezcla con la entrada. En los sistemas multivariantes, los vectores ayudan a ilustrar cómo varias influencias pueden complementarse parcialmente y oponerse parcialmente entre sí.
Algunos autores, en particular con respecto al modelado de sistemas de negocios, usan negativo para referirse a la reducción en la diferencia entre el comportamiento deseado y real de un sistema. En un contexto de psicología, por otro lado, negativo se refiere a la valencia de la retroalimentación: atractivo versus aversivo, o elogio versus crítica.
Por el contrario, la retroalimentación positiva es una retroalimentación en la que el sistema responde para aumentar la magnitud de cualquier perturbación en particular, lo que resulta en la amplificación de la señal original en lugar de la estabilización. Cualquier sistema en el que haya retroalimentación positiva junto con una ganancia superior a uno dará como resultado una situación descontrolada. Tanto la retroalimentación positiva como la negativa requieren un circuito de retroalimentación para operar.
Sin embargo, los sistemas de retroalimentación negativa aún pueden estar sujetos a oscilaciones. Esto es causado por un cambio de fase alrededor de cualquier bucle. Debido a estos cambios de fase, la señal de retroalimentación de algunas frecuencias puede en última instancia ponerse en fase con la señal de entrada y, por lo tanto, convertirse en retroalimentación positiva, creando una condición fuera de control. Incluso antes del punto en el que el cambio de fase se convierte en 180 grados, la estabilidad del bucle de retroalimentación negativa se verá comprometida, lo que conducirá a un aumento de subimpulso y sobreimpulso después de una perturbación. Este problema a menudo se resuelve atenuando o cambiando la fase de las frecuencias problemáticas en un paso de diseño llamado compensación. A menos que el sistema tenga suficiente amortiguación de forma natural, muchos sistemas de retroalimentación negativa tienen instalados filtros de paso bajo o amortiguadores.
Ejemplos
- Los termostatos de mercurio (circa 1600) utilizando la expansión y contracción de columnas de mercurio en respuesta a los cambios de temperatura se utilizaron en sistemas de retroalimentación negativa para controlar los ventos en hornos, manteniendo una temperatura interna estable.
- En la mano invisible de la metáfora del mercado de la teoría económica (1776), las reacciones a los movimientos de precios proporcionan un mecanismo de retroalimentación para equiparar la oferta y la demanda.
- En los gobernadores centrífugos (1788), la retroalimentación negativa se utiliza para mantener una velocidad casi constante de un motor, independientemente de las condiciones de carga o combustible.
- En un motor de dirección (1866), la asistencia eléctrica se aplica al timón con un bucle de retroalimentación, para mantener la dirección fijada por el estiércol.
- En servomecanismos, la velocidad o la posición de una salida, según lo determinado por un sensor, se compara con un valor establecido, y cualquier error se reduce por retroalimentación negativa a la entrada.
- En amplificadores de audio, retroalimentación negativa aplana frecuencia respuesta, reduce la distorsión, minimiza el efecto de las variaciones de fabricación en los parámetros de componentes, e compensa los cambios en las características debido al cambio de temperatura.
- En computación analógica, la retroalimentación alrededor de amplificadores operativos se utiliza para generar funciones matemáticas como adición, resta, integración, diferenciación, logaritmo y funciones antilog.
- En un bucle de fase bloqueada (1932), la retroalimentación se utiliza para mantener una forma de onda alterna generada en una fase constante a una señal de referencia. En muchas implementaciones la forma de onda generada es la salida, pero cuando se utiliza como demodulador en un receptor de radio FM, el voltaje de retroalimentación de errores sirve como la señal de salida desmodulada. Si hay un divisor de frecuencia entre la forma de onda generada y la comparación de fase, el dispositivo actúa como multiplicador de frecuencia.
- En los organismos, la retroalimentación permite mantener diversas medidas (por ejemplo, temperatura corporal o nivel de azúcar en la sangre) dentro de un rango deseado por procesos homeostáticos.
Implementaciones detalladas
Regulación controlada por errores
Un uso de la retroalimentación es hacer que un sistema (digamos T) se autorregule para minimizar el efecto de una perturbación (digamos D). Usando un ciclo de retroalimentación negativa, la medición de alguna variable (por ejemplo, una variable de proceso, digamos E) se resta de un valor requerido (el 'punto de ajuste') para estimar una error operativo en el estado del sistema, que luego es utilizado por un regulador (por ejemplo, R) para reducir la brecha entre la medición y el valor requerido. El regulador modifica la entrada al sistema T según su interpretación del error en el estado del sistema. Este error puede deberse a una variedad de posibles perturbaciones o 'trastornos', algunos lentos y otros rápidos. La regulación en dichos sistemas puede ir desde un simple 'encendido-apagado'; control a un procesamiento más complejo de la señal de error.
En este marco, la forma física de una señal puede sufrir múltiples transformaciones. Por ejemplo, un cambio en el clima puede causar una perturbación en la entrada de calor a una casa (como un ejemplo del sistema T) que es monitoreado por un termómetro como un cambio en temperatura (como ejemplo de una 'variable esencial' E). Esta cantidad, entonces, es convertida por el termostato (un 'comparador') en un error de estado eléctrico en comparación con el 'punto de ajuste' S, y posteriormente utilizado por el regulador (que contiene un 'controlador' que controla las válvulas de control de gas y un encendedor) en última instancia para cambiar el calor proporcionado por un horno (un 'efector') para contrarrestar la perturbación inicial relacionada con el clima en la entrada de calor a la casa.
La regulación controlada por errores generalmente se lleva a cabo mediante un controlador proporcional-integral-derivativo (controlador PID). La señal del regulador se deriva de una suma ponderada de la señal de error, la integral de la señal de error y la derivada de la señal de error. Los pesos de los respectivos componentes dependen de la aplicación.
Matemáticamente, la señal del regulador viene dada por:
- MV()t)=Kp()e()t)+1Ti∫ ∫ 0te()τ τ )dτ τ +Tdddte()t)){displaystyle mathrm {MV(t)} =K_{p}left(,{e(t)}+{frac {1}{T_{i}}int ¿Qué? ¿Qué?
dónde
- Ti{displaystyle T_{i} es tiempo integral
- Td{displaystyle T_{d} es tiempo derivado
Amplificador de retroalimentación negativa
El amplificador de retroalimentación negativa fue inventado por Harold Stephen Black en Bell Laboratories en 1927 y se le otorgó una patente en 1937 (patente de EE. UU. 2,102,671), una continuación de la solicitud con número de serie 298,155, presentada el 8 de agosto de 1928..").
- "La patente tiene 52 páginas de largo más 35 páginas de cifras. Las primeras 43 páginas equivalen a un pequeño tratado sobre amplificadores de retroalimentación!"
La retroalimentación en los amplificadores tiene muchas ventajas. En el diseño, el tipo de retroalimentación y la cantidad de retroalimentación se seleccionan cuidadosamente para sopesar y optimizar estos diversos beneficios.
Ventajas de la retroalimentación de voltaje negativo en amplificadores
- Reduce la distorsión no lineal, es decir, tiene mayor fidelidad.
- Aumenta la estabilidad del circuito: es decir, la ganancia permanece estable aunque hay variaciones en la temperatura ambiente, frecuencia y amplitud de señal.
- Aumenta el ancho de banda ligeramente.
- Modifica las impedancias de entrada y salida.
- Las distorsiones armónicas, de fase, amplitud y frecuencia se reducen considerablemente.
- El ruido se reduce considerablemente.
Aunque la retroalimentación negativa tiene muchas ventajas, los amplificadores con retroalimentación pueden oscilar. Ver el artículo sobre la respuesta al paso. Incluso pueden presentar inestabilidad. Harry Nyquist de Bell Laboratories propuso el criterio de estabilidad de Nyquist y el diagrama de Nyquist que identifican sistemas de retroalimentación estables, incluidos amplificadores y sistemas de control.
La figura muestra un diagrama de bloques simplificado de un amplificador de retroalimentación negativa.
La retroalimentación establece la ganancia general (bucle cerrado) del amplificador en un valor:
- OI=A1+β β A.. 1β β ,{displaystyle {frac}={frac} {A}{1+beta A}approx {fnK}{beta }
donde el valor aproximado asume βA >> 1. Esta expresión muestra que una ganancia mayor que uno requiere β < 1. Debido a que la ganancia aproximada 1/β es independiente de la ganancia de bucle abierto A, se dice que la retroalimentación 'desensibiliza' la ganancia de bucle cerrado a variaciones en A (por ejemplo, debido a variaciones de fabricación entre unidades o efectos de la temperatura en los componentes), siempre que la ganancia A sea lo suficientemente grande. En este contexto, el factor (1+βA) a menudo se denomina "factor de desensibilidad", y en el contexto más amplio de los efectos de retroalimentación que incluyen otros aspectos como la impedancia eléctrica y el ancho de banda, el 'factor de mejora'.
Si se incluye la perturbación D, la salida del amplificador se convierte en:
- O=AI1+β β A+D1+β β A,{displaystyle O={frac}{1+beta A}+{frac {D}{1+beta A}
que muestra que la retroalimentación reduce el efecto de la perturbación por el 'factor de mejora' (1+β A). La perturbación D puede surgir de las fluctuaciones en la salida del amplificador debido al ruido y la no linealidad (distorsión) dentro de este amplificador, o de otras fuentes de ruido, como las fuentes de alimentación.
La diferencia de señal I–βO en la entrada del amplificador a veces se denomina "señal de error". De acuerdo con el diagrama, la señal de error es:
- señal de error=I− − β β O=I()1− − β β OI)=I1+β β A− − β β D1+β β A.{displaystyle {text{Error signal}= I-beta O=Ileft(1-beta {frac}right)={frac {I}{1+beta A}-{frac {beta D}{1+beta A}.}
De esta expresión, se puede ver que un gran 'factor de mejora' (o una gran ganancia de bucle βA) tiende a mantener pequeña esta señal de error.
Aunque el diagrama ilustra los principios del amplificador de retroalimentación negativa, modelar un amplificador real como un bloque de amplificación directa unilateral y un bloque de retroalimentación unilateral tiene limitaciones significativas. Para conocer métodos de análisis que no hacen estas idealizaciones, consulte el artículo Amplificador de retroalimentación negativa.
Circuitos amplificadores operacionales
El amplificador operacional se desarrolló originalmente como un componente básico para la construcción de computadoras analógicas, pero ahora se usa casi universalmente en todo tipo de aplicaciones, incluidos equipos de audio y sistemas de control.
Los circuitos amplificadores operativos suelen emplear retroalimentación negativa para obtener una función de transferencia predecible. Dado que la ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional es extremadamente grande, una pequeña señal de entrada diferencial conduciría la salida del amplificador a un riel u otro en ausencia de retroalimentación negativa. Un ejemplo simple del uso de la retroalimentación es el amplificador de voltaje del amplificador operacional que se muestra en la figura.
El modelo idealizado de un amplificador operacional asume que la ganancia es infinita, la impedancia de entrada es infinita, la resistencia de salida es cero y las corrientes y voltajes de compensación de entrada son cero. Tal amplificador ideal no extrae corriente del divisor de resistencia. Ignorando la dinámica (efectos transitorios y retraso de propagación), la ganancia infinita del amplificador operacional ideal significa que este circuito de retroalimentación lleva la diferencia de voltaje entre las dos entradas del amplificador operacional a cero. En consecuencia, la ganancia de voltaje del circuito en el diagrama, suponiendo un amplificador operacional ideal, es el recíproco de la relación de división de voltaje de retroalimentación β:
- VFuera.=R1+R2R1Vdentro=1β β Vdentro{displaystyle V_{text{out}={frac} [R_{2}} {R_{2}} {R_{text{1}}V_{text{in}}={frac}={frac}} {f}} {fnfn}}}fnfnf}}}\fnf}}}\fnKfnKf}}}} {f}}}}}}}}}}}}\\\\fnK\fnK\fnKf}}}}}}}}}}}}}}\\\\\fnK\\\\f}}}}}}}\\\fnK\fnK\\fnK\\fnKfnKfnKfnKfnKfnKfnKf}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {1}{beta - Sí..
Un amplificador operacional real tiene una ganancia alta pero finita A a bajas frecuencias, que disminuye gradualmente a frecuencias más altas. Además, exhibe una impedancia de entrada finita y una impedancia de salida distinta de cero. Aunque los amplificadores operacionales prácticos no son ideales, el modelo de un amplificador operacional ideal a menudo es suficiente para comprender el funcionamiento del circuito a frecuencias lo suficientemente bajas. Como se discutió en la sección anterior, el circuito de retroalimentación estabiliza la ganancia de bucle cerrado y desensibiliza la salida a las fluctuaciones generadas dentro del propio amplificador.
Áreas de aplicación
Ingeniería mecánica
Un ejemplo del uso del control de retroalimentación negativa es el control del nivel del agua con una llave de bola (consulte el diagrama) o un regulador de presión. En la ingeniería moderna, los bucles de retroalimentación negativa se encuentran en los gobernadores de motores, sistemas de inyección de combustible y carburadores. Se utilizan mecanismos de control similares en los sistemas de calefacción y refrigeración, como los que involucran acondicionadores de aire, refrigeradores o congeladores.
Biología
Algunos sistemas biológicos exhiben retroalimentación negativa, como el barorreflejo en la regulación de la presión arterial y la eritropoyesis. Muchos procesos biológicos (por ejemplo, en la anatomía humana) utilizan retroalimentación negativa. Los ejemplos de esto son numerosos, desde la regulación de la temperatura corporal hasta la regulación de los niveles de glucosa en sangre. La interrupción de los circuitos de retroalimentación puede conducir a resultados no deseados: en el caso de los niveles de glucosa en sangre, si falla la retroalimentación negativa, los niveles de glucosa en la sangre pueden comenzar a aumentar drásticamente, lo que resulta en diabetes.
Para la secreción de hormonas regulada por el ciclo de retroalimentación negativa: cuando la glándula X libera la hormona X, esto estimula las células diana para que liberen la hormona Y. Cuando hay un exceso de hormona Y, la glándula X 'siente' esto e inhibe su liberación de la hormona X. Como se muestra en la figura, la mayoría de las hormonas endocrinas están controladas por un ciclo de inhibición de retroalimentación negativa fisiológica, como los glucocorticoides secretados por la corteza suprarrenal. El hipotálamo secreta la hormona liberadora de corticotropina (CRH), que dirige a la hipófisis anterior para que secrete la hormona adrenocorticotrópica (ACTH). A su vez, la ACTH dirige a la corteza suprarrenal para que secrete glucocorticoides, como el cortisol. Los glucocorticoides no solo realizan sus funciones respectivas en todo el cuerpo, sino que también afectan negativamente la liberación de más secreciones estimulantes tanto del hipotálamo como de la glándula pituitaria, reduciendo efectivamente la producción de glucocorticoides una vez que se ha liberado una cantidad suficiente.
Química
Los sistemas cerrados que contienen sustancias que experimentan una reacción química reversible también pueden mostrar una retroalimentación negativa de acuerdo con el principio de Le Chatelier, que desplaza el equilibrio químico hacia el lado opuesto de la reacción para reducir la tensión. Por ejemplo, en la reacción
- N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 + 92 kJ/mol
Si existe una mezcla de reactivos y productos en equilibrio en un recipiente sellado y se agrega gas nitrógeno a este sistema, entonces el equilibrio se desplazará hacia el lado del producto en respuesta. Si se eleva la temperatura, el equilibrio se desplazará hacia el lado de los reactivos que, dado que la reacción inversa es endotérmica, reducirá parcialmente la temperatura.
Autoorganización
La autoorganización es la capacidad de ciertos sistemas "de organizar su propio comportamiento o estructura". Hay muchos factores posibles que contribuyen a esta capacidad, y la mayoría de las veces se identifica la retroalimentación positiva como un posible contribuyente. Sin embargo, la retroalimentación negativa también puede desempeñar un papel.
Economía
En economía, los estabilizadores automáticos son programas gubernamentales destinados a funcionar como retroalimentación negativa para amortiguar las fluctuaciones en el PIB real.
La corriente principal de la economía afirma que el mecanismo de fijación de precios del mercado opera para igualar la oferta y la demanda, porque los desajustes entre ellos se retroalimentan en la toma de decisiones de los proveedores y los demandantes de bienes, alterando los precios y, por lo tanto, reduciendo cualquier discrepancia. Sin embargo, Norbert Wiener escribió en 1948:
- "Hay una creencia actual en muchos países y elevada al rango de un artículo oficial de fe en los Estados Unidos que la libre competencia es en sí mismo un proceso homeostático... Desafortunadamente, la evidencia, como es, está en contra de esta teoría de mente simple."
La noción de equilibrio económico mantenido de esta manera por las fuerzas del mercado también ha sido cuestionada por numerosos economistas heterodoxos como el financiero George Soros y el destacado economista ecológico y teórico del estado estacionario Herman Daly, quien estuvo en el Banco Mundial en 1988– 1994.
Ciencias ambientales
Un ejemplo básico y común de un sistema de retroalimentación negativa en el medio ambiente es la interacción entre la cobertura de nubes, el crecimiento de las plantas, la radiación solar y la temperatura del planeta. A medida que aumenta la radiación solar entrante, aumenta la temperatura del planeta. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la cantidad de vida vegetal que puede crecer. Esta vida vegetal puede producir productos como el azufre que producen más cobertura de nubes. Un aumento en la cobertura de nubes conduce a un mayor albedo, o reflectividad superficial, de la Tierra. Sin embargo, a medida que aumenta el albedo, la cantidad de radiación solar disminuye. Esto, a su vez, afecta al resto del ciclo.
La cobertura de nubes y, a su vez, el albedo y la temperatura del planeta, también se ven influenciados por el ciclo hidrológico. A medida que aumenta la temperatura del planeta, se produce más vapor de agua y se crean más nubes. Las nubes luego bloquean la radiación solar entrante, bajando la temperatura del planeta. Esta interacción produce menos vapor de agua y, por lo tanto, menos cobertura de nubes. Luego, el ciclo se repite en un ciclo de retroalimentación negativa. De esta forma, los bucles de retroalimentación negativa en el entorno tienen un efecto estabilizador.
Historia
La retroalimentación negativa como técnica de control puede verse en los refinamientos del reloj de agua introducidos por Ktesibios de Alejandría en el siglo III a. Los mecanismos de autorregulación han existido desde la antigüedad y se utilizaron para mantener un nivel constante en los depósitos de los relojes de agua ya en el año 200 a.
La retroalimentación negativa se implementó en el siglo XVII. Cornelius Drebbel había construido incubadoras y hornos controlados termostáticamente a principios del siglo XVII, y se usaban gobernadores centrífugos para regular la distancia y la presión entre las piedras de molino en los molinos de viento. James Watt patentó una forma de gobernador en 1788 para controlar la velocidad de su máquina de vapor, y James Clerk Maxwell en 1868 describió "movimientos de componentes" asociado con estos gobernadores que conducen a una disminución en una perturbación o la amplitud de una oscilación.
El término "comentarios" fue bien establecido en la década de 1920, en referencia a un medio para aumentar la ganancia de un amplificador electrónico. Friis y Jensen describieron esta acción como "retroalimentación positiva" e hizo una mención de pasada de una "acción de retroalimentación negativa" en 1924. A Harold Stephen Black se le ocurrió la idea de usar retroalimentación negativa en amplificadores electrónicos en 1927, presentó una solicitud de patente en 1928 y detalló su uso en su artículo de 1934, donde definió la retroalimentación negativa como un tipo de acoplamiento que redujo la ganancia del amplificador, en el proceso aumentando en gran medida su estabilidad y ancho de banda.
Karl Küpfmüller publicó artículos sobre un sistema de control de ganancia automático basado en retroalimentación negativa y un criterio de estabilidad del sistema de retroalimentación en 1928.
Nyquist y Bode se basaron en el trabajo de Black para desarrollar una teoría de la estabilidad del amplificador.
Los primeros investigadores en el área de la cibernética posteriormente generalizaron la idea de retroalimentación negativa para cubrir cualquier comportamiento de búsqueda de objetivos o con un propósito.
Todo comportamiento intencional puede ser considerado para requerir retroalimentación negativa. Si se quiere alcanzar un objetivo, algunas señales de la meta son necesarias en algún momento para dirigir el comportamiento.
El pionero de la cibernética, Norbert Wiener, ayudó a formalizar los conceptos de control de retroalimentación, definiendo la retroalimentación en general como "la cadena de transmisión y devolución de información", y la retroalimentación negativa como el caso cuando:
La información suministrada al centro de control tiende a oponerse a la salida del control de la cantidad de control...
Si bien la visión de la retroalimentación como cualquier "circularidad de acción" ayudó a mantener la teoría simple y consistente, Ashby señaló que, si bien puede chocar con las definiciones que requieren un "materialmente evidente" conexión, "la definición exacta de retroalimentación no es importante en ninguna parte". Ashby señaló las limitaciones del concepto de "retroalimentación":
El concepto de 'feedback', tan simple y natural en ciertos casos elementales, se convierte en artificial y de poco uso cuando las interconexiones entre las partes se vuelven más complejas... Tales sistemas complejos no pueden ser tratados como un conjunto interrelacionado de circuitos de retroalimentación más o menos independientes, pero sólo en su conjunto. Por consiguiente, para comprender los principios generales de los sistemas dinámicos el concepto de retroalimentación es insuficiente en sí mismo. Lo importante es que los sistemas complejos, ricamente conectados internamente, tienen comportamientos complejos, y que estos comportamientos pueden ser búsqueda de objetivos en patrones complejos.
Para reducir la confusión, autores posteriores han sugerido términos alternativos como degenerativo, autocorrección, equilibrio o discrepancia- reduciendo en lugar de "negativo".
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