La retroazione, controreazione, retroregolazione, o feedback (dall'inglese), è la capacità di un sistema dinamico di tenere conto dei risultati del sistema stesso, per modificare le proprie caratteristiche.
La teoria dei sistemi retroazionati è utilizzata in molti campi delle scienze pure, delle scienze applicate (tra cui i controlli automatici) e della biologia. Il concetto è stato introdotto dal matematico americano Norbert Wiener negli anni quaranta.
Applicazioni pratiche sono il termostato (dal 1620), il rotore per la regolazione automatica dei mulini a vento (dal 1745), il galleggiante delle cisterne domestiche (dal 1746), il regolatore centrifugo di James Watt (dal 1789), oggi ad esempio i microprocessori nelle automobili e nei motori a reazione.
Principio In un controllo in retroazione il valore della variabile in uscita dal sistema viene letto dal controllore che agisce modificando l'ingresso del sistema. Questa caratteristica differenzia i sistemi retroazionati (ad "anello") dai sistemi non retroazionati (ad anello aperto), in cui cioè la funzione di retroazione è nulla (e non "unitaria").
Per i sistemi in retroazione esistono tre funzioni di trasferimento d'interesse per lo studio: la funzione "ad anello aperto" è quindi quella del sistema controllato , in cui è presente la costante moltiplicativa manipolabile in sede di progettazione detta "guadagno d'anello" ed indicata con k; quella "d'anello" è quella del sistema in serie chiuso controllore-controllato (considerata sia nel luogo delle radici che dal criterio di Nyquist) che si ottiene facendo coincidere l'uscita con l'ingresso o moltiplicando quella ad anello aperto per quella caratteristica del controllore stesso (); infine la funzione equivalente totale (del sistema diretto equivalente a quello retroazionato in esame, cioè che abbia stesso ingresso e stessa uscita), detta anche "ad anello chiuso" è:
a seconda che la retroazione sia positiva (meno) o negativa (più), ovvero che nel primo nodo il segnale del controllore si sommi o sottragga al segnale in ingresso.
Nei sistemi di controllo ad anello aperto il valore della variabile manipolabile viene determinato dentro il nostro sistema sfruttando modelli matematici; tali sistemi vengono chiamati predittivi perché non viene effettuata nessuna verifica sul valore. Nei sistemi di controllo retroazionati invece il valore viene determinato e corretto in base alla misura della variabile controllata e alla verifica della sua rispondenza; per questo motivo i sistemi retroazionati vengono anche chiamati "esplorativi".
Ad esempio, un sistema di puntamento ad anello aperto calcola a priori le coordinate dell'obiettivo, quindi sia la direzione che l'alzata, calcola gli effetti del vento o di altri agenti esterni e poi incomincia a sparare. Il fatto che l'obiettivo sia stato centrato o meno non influisce sul puntamento dei colpi successivi. In un sistema retroazionato invece, dopo che è stato sparato il primo colpo si valuta la distanza dell'obiettivo e in base a questa vengono modificate le impostazioni dell'arma. Il secondo sistema è quindi molto più efficiente del primo.
Retroazione positiva Si parla di "retroazione positiva" quando i risultati del sistema vanno ad amplificare il funzionamento del sistema stesso, che di conseguenza produrrà risultati maggiori che amplificheranno ulteriormente il funzionamento del sistema. I sistemi con retroazione positiva sono facilmente (ma non sempre) instabili e tipicamente portano il sistema a divergere.
Retroazione dell'albedo del ghiaccio
Un esempio di sistema o processo con retroazione positiva in natura è la fusione dei ghiacci ai poli. I ghiacci dei poli, essendo bianchi, riflettono i raggi solari. L'aumento della temperatura globale fa fondere i ghiacci e questo comporta l'aumento della quantità di raggi solari assorbiti dalla terra per diminuzione dell'effetto albedo, il che fa aumentare ulteriormente la temperatura globale e fondere altri ghiacci e così via. Questo sistema è instabile e porta alla fusione completa dei ghiacci. Lo stesso meccanismo o processo può anche agire al contrario, sempre in retroazione positiva, portando all'espansione dei ghiacci del Polo.
Effetto Larsen
Un altro esempio di retroazione positiva arriva dall'elettroacustica: posto il fatto che una catena elettroacustica è essenzialmente composta da un trasduttore di ingresso (ad esempio un microfono), da un apparato di amplificazione elettronica e da un trasduttore di uscita (generalmente un altoparlante), se il suono riprodotto dall'altoparlante ritorna acusticamente attraverso l'ambiente al microfono si può verificare l'insorgere di un acuto sibilo o una vibrazione grave continua, il cui volume, per effetto della reazione positiva, tende ad aumentare all'infinito.
Questo fenomeno si chiama anche innesco o ritorno e si può eliminare solo allontanando il microfono dagli altoparlanti, rompendo quindi l'anello di retroazione, o abbassando drasticamente il volume ossia portando il coefficiente di amplificazione ad un valore minore di uno. Se nella catena di amplificazione è presente un equalizzatore, è talvolta possibile, operando un'attenuazione della frequenza del tono dell'innesco, eliminare o ridurre di parecchio l'insorgere dell'effetto Larsen; tale fatto si basa sul concetto che riducendo anche di poco con l'equalizzatore il livello della banda di frequenza interessata all'innesco, si riduce di fatto la possibilità dell'innesco senza dover necessariamente ridurre troppo il guadagno del segnale, e quindi senza alterare in modo troppo evidente le caratteristiche tonali di quel segnale. Questa tecnica è normalmente usata dai sound engineer durante gli spettacoli dal vivo e richiede sia ottimo orecchio acustico per individuare la frequenza da attenuare che velocità e precisione nella manovra.
La manovra può essere anche solo temporanea; per esempio, abbassando di 3 decibel una data banda di frequenze dell'equalizzatore per poi rialzarla di 3 decibel appena l'innesco cessa. Questa è considerata una manovra di emergenza, non in grado di assicurare stabilità al sistema di riproduzione sonora.
Un'altra tecnica molto utilizzata, e di efficacia molto più alta, richiede un equalizzatore di tipo "parametrico" e consiste nell'eliminare esclusivamente una minima porzione di segnale nella banda dove avviene l'innesco; tale tecnica consente di rendere ancora più "trasparenti" gli interventi correttivi, a tutto beneficio dell'integrità tonale del segnale audio.
Lo stesso effetto avviene anche nell'amplificazione di chitarre acustiche, che avviene per mezzo di un pickup acustico (quindi un microfono specializzato) e valgono le considerazioni di cui sopra per l'eliminazione. Molti amplificatori per chitarra acustica includono infatti un filtro elimina banda ("notch") regolabile progettato per eliminare o almeno ridurre l'effetto Larsen.
L'effetto Larsen avviene difficilmente nelle chitarre elettriche a cassa piena, dove il pickup è di tipo elettromagnetico ad induzione, quindi ben poco sensibili ai rumori acustici, ma è stato utilizzato da diversi chitarristi per creare effetti speciali, semplicemente appoggiando la paletta della chitarra all'amplificatore.
Sempre tale effetto può affliggere la riproduzione di dischi in vinile, soprattutto ad alto volume e con giradischi economici. Le vibrazioni delle frequenze basse emesse dal sistema di altoparlanti "rientrano" nel giradischi e poi alla testina per conduzione acustica, generando un fortissimo rumore a bassa frequenza, praticamente impossibile da controllare. Per contrastare tale fenomeno in ambito domestico, taluni amplificatori dispongono di un filtro "rumble" o passa alto. Nell'epoca d'oro delle discoteche era invece consuetudine realizzare i supporti per i giradischi in calcestruzzo armato o scatolato riempito di sabbia, tenuti separati dalla struttura della console del Disc jockey in modo da risultare più isolati acusticamente possibile e utilizzare giradischi particolarmente pesanti e inerti, come il celeberrimo modello SL 1200 del costruttore giapponese Technics, diventato un'icona nel settore e rimasto in produzione per circa 30 anni, a conferma della validità in ambito lavorativo.
Retroazione negativa o controreazione Si parla di "retroazione negativa" (o "controreazione") quando i risultati del sistema vanno a smorzare il funzionamento del sistema stesso stabilizzandolo. I sistemi con retroazione negativa sono in genere stabili e tipicamente portano il sistema a convergere.Non sempre una retroazione negativa porta a stabilità. Ad esempio, considerando un sistema SISO lineare stazionario con poli -10 -20 e -30, con retroazione dell'uscita sull'ingresso con una costante di amplificazione K minore di zero e dal metodo del luogo delle radici si vede che a valori di K elevati in modulo corrispondono due poli complessi a parte reale positiva, per cui il sistema retroazionato sarà in questo caso instabile.
È il sistema con il quale ogni amplificatore audio, sia di segnale che di potenza, stabilizza autonomamente il proprio guadagno, ovvero la funzione di trasferimento dell'amplificatore stesso, sia in termini di guadagno che di risposta in frequenza. È una funzione automatica, del tutto trasparente all'utente.
Il sistema di puntamento spiegato sopra è un sistema a retroazione negativa: il risultato del tiro viene usato per stabilizzare il sistema sull'obiettivo. Ogni tiro può essere utilizzato per puntare meglio l'arma e arrivare più vicino al bersaglio.
Cloud (albedo) feedback Un esempio di sistema con retroazione negativa preso dall'ipotesi Gaia è la presenza del vapore acqueo nell'atmosfera. Con l'aumento della temperatura globale una quantità maggiore di vapore acqueo si forma nell'atmosfera dando vita ad una quantità maggiore di nubi. Le nubi, così come i ghiacci del polo, sono bianche e quindi riflettono i raggi solari (cioè hanno una albedo alta). Un minore assorbimento dei raggi solari da parte della Terra riduce la temperatura globale e quindi diminuisce il vapore acqueo nell'atmosfera. Grazie a questo fenomeno, in assenza di altri ingressi, il quantitativo di vapore acqueo nell'atmosfera tende ad essere stabile.Tuttavia lo stesso processo porta anche ad una retroazione positiva, infatti con l'aumento di temperatura aumenta la quantità di vapor d'acqua e, poiché questo è un gas serra, contribuisce ad aumentare ulteriormente la temperatura terrestre. Per questo motivo il dibattito tra gli scienziati è ancora aperto, infatti è difficile stimare l'effetto generale del cloud feedback e determinare quale delle diverse retroazioni abbia peso maggiore.
La boa galleggiante Un altro semplice esempio di retroazione negativa è dato dal galleggiamento di una boa. Infatti se la boa tende ad affondare, la forza di Archimede aumenta e tende a farla risalire; invece se la boa tende a risalire, la forza di Archimede diminuisce e quindi la boa ridiscende. L'intero sistema si porta alla stabilità, cioè la boa galleggia ad una ben determinata altezza. Se un disturbo influenza il sistema costituito dalla boa (per esempio le onde), il sistema reagisce oscillando, ma mantiene comunque la stabilità.
Ritardi nell'anello di retroazione Il tempo che trascorre tra il momento in cui si ha l'effetto e il momento in cui tale effetto viene preso in considerazione per modificare il sistema viene definito "ritardo nell'anello di retroazione". Quando questo ritardo è elevato, si possono avere problemi di stabilità anche nei sistemi con retroazione negativa che spesso danno vita a fenomeni oscillatori.