フィードバック

正帰還：出力信号からのフィードバック信号が入力信号と同位相である場合、そのフィードバックは正帰還と呼ばれます。

負帰還：入力信号に対して180°位相がずれた信号フィードバックを負帰還と呼びます。

負のフィードバックの例として、この図は、制限速度などの目標速度に合わせる自動車のクルーズコントロールシステムを表していると考えられます。制御対象システムは自動車であり、その入力には、エンジンからのトルクと路面勾配の変化（外乱）によるトルクの合計が含まれます。自動車の速度（状態）はスピードメーターで測定されます。誤差信号は、スピードメーターで測定された速度と目標速度（設定値）との差です。コントローラーは速度を解釈してアクセルを調整し、エンジン（エフェクター）への燃料供給量を指示します。その結果生じるエンジントルクの変化（フィードバック）は、路面勾配の変化によって生じるトルクと組み合わさり、速度の誤差を低減し、勾配の変化を最小限に抑えます。

「正」と「負」という用語は、第二次世界大戦以前にフィードバックに初めて適用されました。正のフィードバックの概念は、再生回路が作られた1920年代にはすでに存在していました。^{[ 13 ]}フリースとジェンセン（1924）は、一連の電子増幅器におけるこの回路を、「フィードバック」動作が正であるケースとして説明し、彼らが軽く触れただけの負のフィードバック動作とは対照的であると述べています。^{[ 14 ]}ハロルド・スティーブン・ブラックの1934年の古典的な論文は、電子増幅器における負のフィードバックの使用を初めて詳細に説明しています。ブラックによれば、

正帰還は増幅器のゲインを増加させ、負帰還はゲインを減少させる。^{[ 15 ]}

ミンデル（2002）によれば、この直後に用語の混乱が生じた。

フリースとイェンセンは、 ブラックが用いた「正帰還」と「負帰還」の区別を、帰還自体の符号ではなく、増幅器の利得への影響に基づいて行っていた。対照的に、ナイキストとボードは、ブラックの研究に基づいて、負帰還を符号が反転したものと呼んだ。ブラックが自身の発明の有用性を他者に納得させるのに苦労したのは、定義の基本的な事項について混乱があったことも一因である。^{[ 13 ]： 121}

これらの用語が使われるようになる前から、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、蒸気機関で使用される遠心ガバナーに関連するいくつかの種類の「構成要素の動き」を通してその概念を説明していました。彼は、擾乱や波または振動の振幅の継続的な増加につながるものと、同じ性質の減少につながるものとを区別しました。 ^{[ 16 ]}

一般的に、フィードバックシステムでは多くの信号がフィードバックされる可能性があり、フィードバックループには正のフィードバックと負のフィードバックが混在していることが多く、正のフィードバックと負のフィードバックは、異なる周波数またはシステムの異なる状態空間の異なる点で優勢になることがあります。

双極性フィードバックという用語は、正のフィードバックシステムと負のフィードバックシステムが相互作用し、一方の出力が他方の入力に影響を与え、その逆も起こる生物学的システムを指すために作られた。^{[ 25 ]}

フィードバックを持つシステムの中には、非線形システムにおけるカオス的な挙動など、非常に複雑な挙動を示すものもあれば、デジタルシステムの構築や設計に用いられるような、はるかに予測可能な挙動を示すものもある。

フィードバックはデジタルシステムで広く利用されています。例えば、バイナリカウンタや類似のデバイスでは、現在の状態と入力値を用いて新しい状態を計算し、それをデバイスにフィードバックしてクロック信号を送り、デバイスを更新します。

フィードバック特性を利用することで、システムの挙動をアプリケーションのニーズに合わせて変更することができ、システムを安定させたり、応答性を高めたり、一定に保つことができます。フィードバックを持つ動的システムは、カオスの境界に適応することが示されています。^{[ 26 ]}

物理システムは、その構成要素間の相互作用を通じてフィードバックを提供します。フィードバックは、実験条件の調整、ノイズ低減、信号制御にも関連しています。^{[ 27 ]}フィードバック制御システムの熱力学は、マクスウェルの悪魔以来物理学者を魅了しており、最近ではエントロピーの減少と性能の向上への影響に関する進歩が見られます。^{[ 28 ] [ 29 ]}

生物、生態系、生物圏などの生物システムでは、ほとんどのパラメータは、特定の環境条件下で、ある最適レベルを中心とした狭い範囲内に制御されなければなりません。制御対象パラメータの最適値からのずれは、内部環境と外部環境の変化によって生じる可能性があります。環境条件の変化によっては、システムが機能するために、その範囲を変更する必要が生じる場合もあります。維持すべきパラメータの値は、受信システムによって記録され、情報チャネルを介して制御モジュールに伝達されます。インスリンの変動は、その一例として挙げられます。

生物システムには、正負両方の多くの種類の制御回路が存在する。他の文脈と同様に、正負はフィードバックが良い効果をもたらすか悪い効果をもたらすかを意味するものではない。負のフィードバックループはプロセスを遅くする傾向があり、正のフィードバックループはプロセスを加速する傾向がある。ミラーニューロンは社会的フィードバックシステムの一部であり、観察された行動が脳によって、まるで自分自身が行った行動のように反映される。

正常な組織の完全性は、接着分子や分泌分子を介して媒介される多様な細胞型間のフィードバック相互作用によって維持されます。がんでは、重要なフィードバック機構が機能不全に陥り、組織機能が損なわれます。^{[ 30 ]} 損傷または感染した組織では、炎症性メディエーターが細胞内でフィードバック応答を引き起こし、遺伝子発現を変化させ、多様な細胞が協力して組織構造と機能を回復するように誘導する分子を含む、発現および分泌される分子群を変化させます。この種のフィードバックは、免疫応答の調整や感染および損傷からの回復を可能にするため重要です。がんでは、このフィードバックの重要な要素が機能不全に陥ります。これにより、組織機能と免疫が損なわれます。^{[ 31 ] [ 32 ]}

フィードバック機構は、栄養素が細菌の代謝機能の一部に変化を引き起こす細菌で最初に解明されました。^{[ 33 ]}フィードバックは、遺伝子や遺伝子制御ネットワーク の動作にも中心的な役割を果たしています。リプレッサー（Lacリプレッサーを参照）とアクチベータータンパク質は、遺伝子オペロンを作成するために使用され、これらは1961年にフランソワ・ジャコブとジャック・モノによってフィードバックループとして特定されました。^{[ 34 ]}これらのフィードバックループは、正（糖分子と糖を細菌細胞に取り込むタンパク質との間の結合の場合など）または負（代謝消費の場合によくある）である可能性があります。

より大きなスケールでは、フィードバックは外部の変化によって大きく影響を受けた場合でも動物の個体群を安定させる効果を持つ可能性があるが、フィードバック応答の時間遅延は捕食者と被食者のサイクルを引き起こす可能性がある。^{[ 35 ]}

酵素学において、フィードバックとは、代謝経路における酵素の直接の生成物または下流の代謝産物による酵素活性の調節のことである（アロステリック調節を参照）。

視床下部-下垂体-副腎系は、主に正のフィードバックと負のフィードバックによって制御されているが、その多くはまだ解明されていない。

心理学では、身体は環境または内部からの刺激を受け、ホルモンが放出されます。ホルモンの放出は、さらに多くのホルモンの放出を引き起こし、正のフィードバックループを引き起こします。このサイクルは、特定の行動にも見られます。たとえば、顔が赤くなりやすい人は「恥のループ」を起こします。顔が赤くなっていることに気づくと、さらに恥ずかしくなり、さらに顔が赤くなる、というサイクルが繰り返されます。^{[ 36 ]}

気候システムは、大気、海洋、陸地の状態に影響を与えるプロセス間の強い正および負のフィードバックループによって特徴づけられます。簡単な例として、氷とアルベドの正のフィードバックループがあります。これは、雪が溶けると（アルベドの低い）暗い地面がより多く露出し、それが熱を吸収してさらに多くの雪を溶かすというものです。

フィードバックは制御理論で広く用いられており、状態空間（制御）、全状態フィードバックなど様々な方法が用いられている。制御理論の文脈では、「フィードバック」は伝統的に「負のフィードバック」を指すものとされている。^{[ 39 ]}

制御ループフィードバック機構を使用する最も一般的な汎用コントローラは、比例積分微分（PID）コントローラです。経験的に、PIDコントローラの各項は時間に対応するものとして解釈できます。比例項は現在の誤差に依存し、積分項は過去の誤差の蓄積に依存し、微分項は現在の変化率に基づいて将来の誤差を予測します。^{[ 40 ]}

教育現場におけるフィードバックについては、「修正的フィードバック」を参照してください。

古代においては、フロートバルブはギリシャやローマの水時計の水の流れを調整するために使用されていました。同様のフロートバルブは、キャブレターの燃料を調整したり、水洗トイレのタンクの水位を調整したりするためにも使用されています。

オランダの発明家コルネリウス・ドレッベル（1572年～1633年）は、鶏の孵卵器や化学炉の温度を制御するためにサーモスタット（1620年頃）を製作した。1745年、鍛冶屋のエドモンド・リーは風車を改良し、風車の面が風に向くようにファンテールを追加した。1787年、トム・ミードは遠心振り子を用いて、台石と回転石の間の距離（つまり負荷）を調整することで、風車の回転速度を制御した。

1788年にジェームズ・ワットが蒸気機関の速度を調整するために遠心ガバナーを使用したことは、産業革命につながる要因の一つでした。蒸気機関は、機械的な調整装置としてフロートバルブと圧力解放バルブも使用します。ワットのガバナーの数学的解析は、 1868年にジェームズ・クラーク・マクスウェルによって行われました。^{[ 16 ]}

グレート・イースタン号は当時最大級の蒸気船の一つで、1866年にジョン・マクファーレン・グレイによって設計されたフィードバック機構を備えた蒸気動力の舵を採用していた。ジョセフ・ファーコットは1873年に蒸気動力の操舵システムを説明するために「サーボ」という言葉を作り出した。油圧サーボは後に砲の位置決めに使用された。スペリー社のエルマー・アンブローズ・スペリーは1912年に最初の自動操縦装置を設計した。ニコラス・ミノルスキーは1922年に船舶の自動操舵の理論的分析を発表し、PIDコントローラについて説明した。^{[ 41 ]}

20世紀後半の内燃機関は、真空点火時期進角などの機械的なフィードバック機構を採用していたが、小型で堅牢かつ高性能なシングルチップマイクロコントローラが手頃な価格で入手できるようになると、機械的なフィードバックは電子エンジン管理システムに取って代わられた。

フィードバックは、増幅器、発振器、フリップフロップやカウンタなどの状態制御型論理回路素子といった電子部品の設計において広く用いられています。また、電子フィードバックシステムは、機械的、熱的、その他の物理的プロセスを制御するためにも非常に一般的に使用されています。

制御ループを一周する途中で信号が反転する場合、システムは負帰還を持つと言われます。^{[ 43 ]}それ以外の場合は、フィードバックは正であると言われます。負帰還は、望ましくない変化の影響を修正または軽減することによってシステムの安定性と精度を高めるために意図的に導入されることがよくあります。入力がシステムが応答できるよりも速く変化すると、この方式は失敗する可能性があります。この場合、修正信号の到着の遅延により過剰修正が発生し、出力が振動したり「ハンチング」したりする可能性があります。^{[ 44 ]}これはシステム動作の望ましくない結果であることが多いですが、この効果は電子発振器で意図的に使用されます。

ベル研究所のハリー・ナイキストは、フィードバックシステムの安定性を判定するためのナイキスト安定判別法を導出した。より簡便な方法としては、ヘンドリック・ボーデが開発したボード線図を用いてゲイン余裕と位相余裕を求める方法があるが、汎用性は低い。安定性を確保するための設計では、増幅器の極の位置を制御するために周波数補償を行うことが多い。

電子フィードバックループは、増幅器などの電子機器の出力を制御するために使用されます。フィードバックループは、出力の全部または一部が入力にフィードバックされるときに作成されます。出力フィードバックが使用されていない場合、デバイスはオープンループで動作していると言われ、フィードバックが使用されている場合はクローズドループで動作していると言われます。 ^{[ 45 ]}

2つ以上の増幅器を正帰還を用いて相互接続すると、複雑な動作を生み出すことができる。このようなマルチバイブレータは広く用いられており、以下のようなものがある。

• 発振器として機能する無安定回路
• 単安定回路は、ある状態に押し込むことができ、一定時間後に安定状態に戻ります。
• 双安定回路とは、回路が切り替え可能な2つの安定状態を持つ回路のことである。

発振器

電子発振器は、周期的に振動する電子信号（多くの場合、正弦波または方形波）を生成する電子回路です。^{[ 51 ] [ 52 ]}発振器は、電源からの直流（DC）を交流信号に変換します。これらは多くの電子機器で広く使用されています。発振器によって生成される信号の一般的な例としては、ラジオやテレビの送信機から放送される信号、コンピュータやクォーツ時計を制御するクロック信号、電子ビープやビデオゲームによって生成される音などがあります。^{[ 51 ]}

発振器は、出力信号の周波数によって特徴づけられることが多い。

• 低周波発振器（LFO）とは、約20Hz以下の周波数を生成する電子発振器のことである。この用語は、オーディオ周波数発振器と区別するために、主にオーディオシンセサイザー の分野で用いられる。
• オーディオ発振器は、約16Hzから20kHzの可聴域の周波数を生成します。^{[ 52 ]}  
• RF発振器は、約100kHzから100GHzの無線周波数（RF）範囲の信号を生成します。^{[ 52 ]}  

直流電源から高出力の交流出力を生成するように設計された発振器は、通常インバータと呼ばれます。

電子発振器には、線形発振器または調和発振器と非線形発振器または緩和発振器の 2 つの主要なタイプがあります。^{[ 52 ] [ 53 ]}

ラッチとビーチサンダル

ラッチまたはフリップフロップは、2つの安定状態を持ち、状態情報を記憶するために使用できる回路です。これらは通常、回路の2つのアーム間を交差するフィードバックを用いて構成され、回路に状態を与えます。回路は、1つまたは複数の制御入力に印加される信号によって状態を変化させることができ、1つまたは2つの出力を持ちます。これは、順序論理における基本的な記憶要素です。ラッチとフリップフロップは、コンピュータ、通信、その他多くの種類のシステムで使用されるデジタル電子システムの基本的な構成要素です。

ラッチとフリップフロップはデータ記憶素子として使用されます。このようなデータ記憶は状態の記憶に使用でき、このような回路は順序論理と呼ばれます。有限状態機械で使用される場合、出力と次の状態は、現在の入力だけでなく、現在の状態（したがって、以前の入力）にも依存します。また、パルスのカウントや、可変タイミングの入力信号を何らかの基準タイミング信号に同期させるためにも使用できます。

フリップフロップは、単純なもの（透明または不透明）とクロック付きのもの（同期またはエッジトリガ）に分けられます。歴史的には、フリップフロップという用語は単純な回路とクロック付きの回路の両方を総称して指していましたが、現代の用法では、フリップフロップという用語はクロック付きの回路のみを指すのが一般的です。単純なものは一般的にラッチと呼ばれます。^{[ 54 ] [ 55 ]}

この用語を用いると、ラッチはレベルセンシティブであるのに対し、フリップフロップはエッジセンシティブである。つまり、ラッチは有効になると透過的になるのに対し、フリップフロップの出力はクロックエッジの特定の種類（正方向または負方向）でのみ変化する。

フィードバックループは、ソフトウェアおよびコンピューティングシステムの実行、保守、および進化を制御するための汎用的なメカニズムを提供します。^{[ 56 ]}フィードバックループは、適応型ソフトウェアのエンジニアリングにおいて重要なモデルであり、適応プロセスにおける制御要素間の相互作用の動作を定義し、実行時のシステム特性を保証します。フィードバックループと制御理論の基礎は、コンピューティングシステムにうまく適用されてきました。^{[ 57 ]}特に、IBM Db2やIBM Tivoliなどの製品の開発に適用されています。ソフトウェアの観点からは、 IBM の研究者によって提案された自律型(MAPE、モニター、分析、計画、実行) ループは、動的特性の制御と自律型ソフトウェアシステムの設計と進化へのフィードバックループの適用に対するもう 1 つの貴重な貢献です。^{[ 58 ] [ 59 ]}

ビデオフィードバックは、音響フィードバックのビデオ版です。ビデオカメラの入力とビデオ出力（テレビ画面やモニターなど）の間のループを伴います。カメラをディスプレイに向けると、フィードバックに基づいて複雑なビデオ画像が生成されます。^{[ 60 ]}