正反馈与负反馈

爆炸的诸多性质中,我的着眼点是工程师所熟知的“正回馈”。了解正回馈最好从“负回馈”下手,就是正回馈的反面。负回馈是大多数自动控制与调节的基础,最干净利落、最著名的例子就是瓦特( James Watt,1736-1819)发明的蒸汽调速器。引擎要有用,就得以定速发出旋转力量,至于正确的转速,则视工作而定,例如推磨、纺织、打水等等。在瓦特之前,工程师必须解决的问题是:转速由蒸汽压力决定。只要加热锅炉,引擎转速就增加,可是磨坊或纺织机需要的是稳定的动力。瓦特的调速器是个自动阀,可以调节推动活塞的蒸汽量。

瓦特想出的点子是使阀门与引擎动力挂钩。引擎转速越快就关得越小;引擎转速一且慢下来了,阀门就大开。因此引擎转速下降后很快就会加速,转速升高后很快就会慢下来。瓦特调速器测量引擎转速的机制简单而有效,基本原理至今仍适用。锅炉的温度往往会大幅起伏,但是只要事先调整好,引擘在调速器控制下就能以几乎恒定的速度旋转。

瓦特调速器的原理就是负回馈。引擎的“输出”值(这里指转速)“回馈”引擎(通过蒸汽阀)。因为高输出值对输入值(这里指蒸汽量)有负面影响,所以这种回馈是“负”的。反过来说,低输出值会提升输入值,两者的关系也相反。但是我介绍负回馈概念,只为了拿它和正回馈做比较。让我们找一台瓦特蒸汽机,并做一个关键的修改:把调速器与蒸汽阀的关系颠倒过来。于是引擎转速一旦上升,蒸汽阀就大开。反过来也一样,引擎速度慢下来,蒸汽阀门就会缩小。一台正常的瓦特引擎,通常转速一下降,就会自动修正这个趋势,使速度上升,维持在事先设定的速度上。但是我们动过手脚的引擎完全相反:它的速度一旦慢下来,就会变得更慢。不久它就完全停住了。另一方面,要是它不知怎地速度升高了一些,它不但不会像瓦特引擎一样抑遏这个趋势,反而会助长加速趋势。颠倒过来的调速器会强化速度提升的趋势,引擎转速就更快了。由于加速会正向回馈,引擎速度再度提升,最后引擎解体,失控的飞轮穿墙而出,或者因为蒸汽压力无法继续提升,引擎转速达到了极限值。

瓦特调速器利用的是负回馈原理,我们将那个调速器动了手脚,用来演示正回馈—与负回馈相反的过程。正回馈过程具有不稳定的失控性质。一开始只不过是微小的变化,由于正回馈的影响就会循逐渐加速盘旋而上,最后不是酿成大祸,就是因为其它过程而停留在某个较高的层次上。



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huaeji2021-03-04 08:58

有意思,一直觉得正反馈好,负反馈不好。但其实正反馈也有缺点,是不稳定。负反馈反而带来了稳定。
但正反馈也会带来巨额收益。
生活中常说要尽量造成正反馈效应,譬如对孩子的教育,要鼓励而不是责怪。