Rückkopplung
Englisch: feedback
Der Teil eines Ausgangssignals, der zur Kontrolle oder Änderung eines Systems auf den Eingang zurückgeführt wird.
Rückkopplung: Ausgangssignal zurück zum Eingang zur Stabilisierung
Rückkopplung ist ein Teil des Ausgangssignals eines Systems, das absichtlich auf seine Eingangsstufe zurückgeleitet wird. Dies erzeugt eine Regelschleife, die dem System erlaubt, das tatsächliche Verhalten mit dem geforderten Verhalten zu vergleichen und sich selbst zu korrigieren. Ohne Rückkopplung arbeitet ein Verstärker oder Motorcontroller blind, ohne Änderungen der Last, Temperaturabweichungen oder Komponentenalterung wahrzunehmen. Mit Rückkopplung korrigiert sich das System in Echtzeit selbst.
Die zwei Hauptarten sind negative Rückkopplung und positive Rückkopplung. Negative Rückkopplung wirkt dem Eingangssignal entgegen, verringert Verstärkung und Verzerrung und verbessert Stabilität und Linearität. Ein Audioverstärker nutzt negative Rückkopplung, um die harmonischen Verzerrungen von etwa 5 Prozent auf 0,1 Prozent zu senken. Positive Rückkopplung verstärkt das Eingangssignal und wird absichtlich in Oszillatoren zur Aufrechterhaltung der Schwingung verwendet, ist aber in Verstärkern gefährlich, wo sie zu Übersteuerung und Schwingung führt. Die meisten industriellen Regelanlagen arbeiten mit negativer Rückkopplung.
Rückkopplung in geschlossenen Regelkreisen
Industrielle Prozessregler sind auf Rückkopplung angewiesen, um den Sollwert zu halten. Ein Temperaturregler misst die tatsächliche Prozesstemperatur über ein Thermoelement oder eine Widerstandsthermometer, vergleicht sie mit dem Sollwert und regelt die Heizleistung so, dass der Fehler gegen null geht. Die Geschwindigkeit dieses Vergleichszyklus, üblicherweise 10 bis 100 Mal pro Sekunde, und die Stärke der Korrektur, genannt Verstärkung, bestimmen die Stabilität. Zu geringe Verstärkung lässt den Prozess abdriften, zu hohe Verstärkung führt zu Schwingungen um den Sollwert.
Rückkopplung kann Verzögerungen und Instabilität verursachen, wenn die Schleife Laufzeiten enthält. Ein Heizelement braucht Zeit zu reagieren, der Sensor braucht Zeit zu messen, der Regler braucht Zeit zu rechnen. Sind diese Laufzeiten lang im Verhältnis zur Regelaktion, schießt das System über, schwingt und stabilisiert sich möglicherweise nie. Deshalb ist die Abstimmung von Proportional-Integral-Derivative-Reglern (PID) entscheidend: die drei Parameter werden auf die natürliche Ansprechzeit und Laufzeitcharakteristik der Schleife abgestimmt.
Der Begriff Rückkopplung stammt aus der Analogie, dass eine Person Informationen über die Ergebnisse ihrer Handlung erhält und diese nutzt, um den nächsten Versuch anzupassen. In der Elektronik entstand das Konzept in den 1920er Jahren, als Harold Black den Rückkopplungsverstärker erfand, um Nichtlinearität und Drift von Vakuumröhren auszugleichen. Heute ist Rückkopplung die Grundlage aller automatischen Regelung, von Servomotoren über Stromversorgungen bis zur Prozessinstrumentation.