ネガティブフィードバック機構
ネガティブフィードバック(負帰還または平衡帰還)は、システム、プロセス、または機構の出力のある機能が、入力の変化または他の妨害によって引き起こされるかどうかにかかわらず、出力の変動を減少させる傾向のある方法でフィードバックされるときに発生する過程のこと。
典型的な例は、暖房システムのサーモスタットである。温度が下がりすぎると、ヒーターは再びオンになる。いずれの場合も、サーモスタットによって生成された「フィードバック」がトレンドを「否定」する。
例えば、マイクをスピーカーに近づけすぎて、マイクが拾っている音そのものを増幅してしまうような鳴き声の「フィードバック」ループや、原子炉の加熱の暴走と最終的なメルトダウンのようなものである。
逆の傾向であるポジティブフィードバック は、傾向がプラスに強化されて増幅が生じる場合である。たとえば、マイクがスピーカーに近づきすぎると、キーキーという「フィードバック」ループが発生し、マイクが拾う音そのものが増幅される。
多くの物理系や生物系では、質的に異なる影響が互いに対立することがある。例えば生化学では、ある化学物質のセットが、ひとつの系をある方向に動かすのに対し、別の化学物質のセットは、この同じ系を反対の方向に動かす。これらの相反する影響の一方または両方が非線形である場合、平衡点が生じる。
生物学では、このプロセス(一般的には生化学的な)をホメオスタシス(恒常性)と呼ぶことが多い。一方、力学では、より一般的な用語は力学的平衡(英語版)である。
工学、数学、物理学、生物学では、システムが引き寄せられる点を表す一般的な用語として、アトラクター、安定状態、固有状態/固有関数、平衡点、セットポイント(英語版)などがある。
制御理論では、負はフィードバックの数学モデルにおける乗数の符号を指す。デルタ表記では、-Δ 出力は入力に加えられるか、または入力に混合される。多変量システムでは、ベクトルは、いくつかの影響が部分的に補完し合い、部分的に対立し合うことを説明するのに役立つ 。
ある著者は、特にビジネスシステムのモデリングに関して、システムの望ましい動作と実際の動作の間の差の減少を指すためにネガティブを使用する。一方、心理学の文脈では、ネガティブは、フィードバックの価(魅力的か嫌悪的か、賞賛か批判か)を指す。
非線形歪みが軽減され、忠実度が高くなる。
つまり、周囲温度、周波数、信号振幅の変動があってもゲインは安定したままである。
帯域幅がわずかに増加する。
入力インピーダンスと出力インピーダンスを変更する。
高調波、位相、振幅、周波数の歪みはすべて大幅に減少。
ノイズの大幅な軽減。
ネガティブフィードバックには多くの利点があるが、フィードバックを持つアンプは発振することがあり(ステップ応答の記事を参照)、安定性を示すことさえある。ベル研究所のハリー・ナイキストは、アンプや制御系を含む安定なフィードバック系を識別するナイキスト安定性基準(英語版)とナイキストプロットを提案した。
図は、ネガティブフィードバック増幅器の簡略ブロック図である。 フィードバックは、アンプ全体の(クローズドループ)ゲインをある値に設定する:
O I = A 1 + β A ≈ 1 β , {\displaystyle {\frac {O}{I}}={\frac {A}{1+\beta A}}\approx {\frac {1}{\beta }}\ ,}
ここで、近似値は βA >> 1 であると仮定する。この式は、1 より大きいゲインには β < 1 が必要であることを示している。近似ゲイン 1/β は開ループ ゲイン A から独立しているため、フィードバックはゲインを「鈍感にする」と表現する。 ゲイン A が十分に大きい場合にのみ、A の変動 (たとえば、ユニット間の製造変動やコンポーネントへの温度の影響による) に対する閉ループゲインを調整する。 この文脈では、係数 (1 βA) は「感度係数」と呼ばれることが多く、電気インピーダンスや帯域幅などの他の事項を含むフィードバック効果のより広い文脈では「改善係数」と呼ばれる。
経済学では、自動的安定化装置(automatic stabilisers)とは、実質GDPの変動を抑えるために負のフィードバックとして働くことを意図した政府のプログラムである。 経済学の主流は、市場の価格決定メカニズムが需要と供給を一致させるように機能すると主張している。なぜなら、両者のミスマッチが商品の供給者と需要者の意思決定にフィードバックされ、価格が変化し、それによって矛盾が減少するからである。しかし、ノーバート・ウィーナーは1948年にこう書いている:
「自由競争はそれ自体が恒常的なプロセスである......という信念が多くの国にあり、アメリカでは公式の信条にまで高められている。残念ながら、そのような証拠は、この単純思考の理論に反している」。
経済の均衡が市場原理によってこのように維持されるという考え方は、金融家のジョージ・ソロスや、1988年から1994年にかけて世界銀行に在籍していた代表的な生態系経済学者で定常状態論者のハーマン・デイリーなど、多くの異端派経済学者からも疑問視されている。