feedback-systems
Määritelmä
Takaisinkytkentäjärjestelmä (engl. feedback system) on systeemi, jossa osan output vaikuttaa sen omaan tulevaan input:iin — joko vahvistaen tai vaimentaen sitä. Sana feedback tulee saksan kautta englantiin (kirjaimellisesti "syöttö takaisin") ja vakiintui tieteelliseen käyttöön 1900-luvun alussa.
Takaisinkytkentä on yksi systeemiajattelun ja kybernetiikan peruskäsitteistä. Se selittää, miten systeemi säilyttää tasapainonsa, mukautuu ympäristöönsä tai karkaa hallinnasta. Ilman takaisinkytkentää mikään säätö, oppiminen tai mukautuminen ei olisi mahdollista.
Takaisinkytkentä on kahta perustyyppiä:
- Negatiivinen takaisinkytkentä (negative-feedback) — output vaimentaa inputia, järjestelmä hakeutuu kohti tasapainoa. Vakauttava, säätelevä, virheitä korjaava. Esimerkkejä: termostaatti, homeostasis, käsijarru.
- Positiivinen takaisinkytkentä (positive-feedback) — output vahvistaa inputia, järjestelmä etääntyy tasapainosta. Voimistava, kiihtyvä, karkaava. Esimerkkejä: mikrofonin kierto, lumivyöry, paniikki.
Näiden lisäksi takaisinkytkentä voi olla delay:n värittämää (viiveellinen vaste), non-linearity:n muokkaamaa (epälineaarinen vaste) tai monikerroksista. Käytännön järjestelmissä negatiivinen ja positiivinen takaisinkytkentä esiintyvät usein yhtä aikaa — eri skoaloilla ja eri tarkoituksiin.
Alkuperä
Takaisinkytkentän käsite syntyi säätötekniikassa. James Wattin höyrykoneen vakautin (1788) on yksi ensimmäisistä dokumentoiduista negatiivisista takaisinkytkentäjärjestelmistä. 1800-luvulla fyysikot ja insinöörit kehittivät teorian, jossa järjestelmän käyttäytymistä kuvattiin matemaattisesti takaisinkytkentäsilmukoiden avulla.
1900-luvun puolivälissä syntyi control-theory ja control-systems-engineering. Norbert Wiener muotoili first-order-cybernetics:n (1948) nimenomaan "eläinten ja koneiden ohjauksen ja viestinnän tieteeksi" — keskiössä takaisinkytkentä ja cybernetic-loop. Arturo Rosenblueth, Norbert Wiener ja Julian Biglow kirjoittivat 1943 artikkelin "Behavior, Purpose and Teleology", joka teki takaisinkytkennän tieteelliseksi peruskäsitteeksi.
Biologiassa homeostasis (Cannon, 1932) oli varhainen tunnistus siitä, että elävät organismit ovat negatiivisen takaisinkytkennän järjestelmiä. Taloustieteessä Keynesin teoria ja myöhempi systeemidynamiikka (Forrester, Meadows) toivat takaisinkytkennän yhteiskuntatieteisiin.
Nykyään takaisinkytkentä on keskeinen käsite lähes kaikkialla: control-system:eissä, complex-adaptive-system-malleissa, first-order-cybernetics:ssa, systems-biology:ssä, oppimisteorioissa ja tekoälyssä. Se on yksi niistä harvoista käsitteistä, jotka yhdistävät tekniikan, biologian ja yhteiskuntatieteet.
Yhteydet muihin käsitteisiin
- feedback — yleiskäsite, josta takaisinkytkentäjärjestelmä koostuu.
- feedback-loop — takaisinkytkentäsilmukka, järjestelmän konkreettinen rakenne.
- negative-feedback — tasapainottava takaisinkytkentä.
- positive-feedback — voimistava takaisinkytkentä.
- control-system — takaisinkytkentää hyödyntävä säätöjärjestelmä.
- cybernetic-loop — kyberneettinen silmukka, jossa receptor, comparator ja effector toimivat yhdessä.
- homeostasis — biologinen esimerkki negatiivisesta takaisinkytkennästä.
- equilibrium — tila, jota negatiivinen takaisinkytkentä tavoittelee.
- causal-loop-diagram — yleisin takaisinkytkentöjen esitystapa systeemidynamiikassa.
- delay — viive, joka muuttaa takaisinkytkennän käyttäytymistä.
- bifurcation — kriittinen piste, jossa positiivinen takaisinkytkentä voi synnyttää uuden tilan.
Missä oppitunneissa käsitellään
Käsite esitellään Takaisinkytkennän perusteet -oppitunnilla, jossa käydään läpi negatiivinen ja positiivinen takaisinkytkentä sekä niiden erot. Syventävä käsittely Säätötekniikan alkeet -oppitunnilla, jossa takaisinkytkentä yhdistetään control-theory:yn ja cybernetic-loop:iin. Käytännön esimerkkejä Systeemidynamiikan alkeet -oppitunnilla.
Lähteet
Norbert Wiener — Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine (1948). Arturo Rosenblueth, Norbert Wiener & Julian Bigelow — "Behavior, Purpose and Teleology" (1943). William Ross Ashby — An Introduction to Cybernetics (1956). Donella Meadows — Thinking in Systems: A Primer (2008). John Sterman — Business Dynamics (2000). Katsuhiko Ogata — Modern Control Engineering (1970).