В системах с прямой связью управляющий просто воздействует или сигнализирует:

 Управляющий  Управляемый 

Проблема таких систем в «слепоте». Если механические часы начнут отставать, их владелец опоздает на работу. Если моряк «перекрутит» лебёдку, конец может оборваться.

Переход к сигналу не спасает. Если просто трубить в трубу или пускать дымовые сигналы, невозможно убедиться, что сигнал получен и дал результат.

• Вслепую

  Обычный светофор работает по заданной программе без учёта плотности потока автомобилей и иногда останавливает их без необходимости.

В 1788 году Джеймс Ватт изобрёл центробежный регулятор для поддержания постоянства хода паровой машины:

С обратной связью

При вращении стержня шары смещаются в стороны и вверх под действием центробежной силы, а тяга постепенно закрывает паровой клапан между котлом и машиной, пока не будет достигнуто равновесие. Если машина увеличит ход, шары сильнее отклонятся и прикроют клапан, снижая ход. Если ход снижается, шары сближаются и снова постепеннно приоткрывают клапан. Ход машины постоянный и не зависит от нагрузки.

Это схема управления с обратной связью:

Регулятор  Паровая машина 

Через прямую связь — клапан — регулятор посылает в машину управляющее воздействие. Через вращение стержня регулятор получает от машины обратную связь — результат своего управляющего воздействия. Получается замкнутая саморегулируемая система.

В общем случае:

 Управляющий  Управляемый 

В первых системах управления обратная связь была реализована физическим воздействием, как и прямая. Некоторые из этих систем очень живучи.

Клапаны для смыва в унитазах появились ещё в 18 веке. Можно найти указания на изобретение некоего Дж. Ф. Бронделя 1738 года. Как бы то ни было, они совершенствовались в течение всего двадцатого века и до сих пор выполняют свою функцию — отключить подачу воды при заполнении бачка.

1927

Но настоящий прорыв в развитии систем с обратной связью произошёл с изобретением ламповых триодов и затем полупроводниковых транзисторов. Ведь с помощью них можно было усиливать и преобразовывать слабые сигналы датчиков и управлять большими механизмами. Обратная связь тоже стала сигналом:

 Управляющий  Управляемый 

Центробежный регулятор и клапан унитаза работают по одному принципу: постоянно измеряют и уменьшают отклонение параметра системы от требуемого сохраняют ход паровой машины или уровень воды в бачке. Это называется «отрицательной обратной связью». В системах, построенных на сигналах, используется тот же принцип.

• В противовоздушной обороне

  Ракета «земля — воздух» с радиолокационным наведением во время полёта следит за целью с помощью радара. Чем больше угол отклонение цели от курса ракеты, тем на больший угол отклоняются её рули. Задача системы наведения — постоянно уменьшать отклонение от цели, как бы цель ни маневрировала.

В системе с сигнальной обратной связью ключевой элемент — датчик. Это её орган чувств, «глаз», «ухо» или «кожа». «Датчик дождя» на лобовом стекле машины включает дворники и не выключает их, пока стекло не высохнет; или выключает полив газона, если пошёл дождь. Датчик движения включает освещение в тёмном коридоре. Датчик освещения регулирует подсветку клавиатуры или яркость экрана. «Писсуарный» датчик включает смыв, когда посетитель туалета отходит, или завершает сессию пользователя в публичном терминале.

Электрогитара-робот

В 2008 году Гибсон выпустил «Гитару-робота». В режиме настройки музыкант дёргал струну, пьезодатчики в головке грифа считывали частоту звучания, и сервомоторы автоматически крутили колки, пока струна не начинала звучать в нужный тон. Интересно, что обратная связь стала и источником проблем — на репетиции датчики считывали и весь шум вокруг, мешая настройке. Этой проблемы нет в обычных электронных тюнерах, которые работают от электрического сигнала гитары с её звукоснимателя.

 Пьезодатчик и сервомотор  Струна 

Теплокровность — способность живого существа сохранять постоянную температуру тела, независимо от температуры окружающей среды:

• В биологии

  Обратная связь в виде сигналов от кожи об изменении окружающей температуры достигает мозга и вызывает реакцию в организме, поддерживающую температуру. Если человеку жарко, мышцы расслабляются, к коже приливает кровь, выделяется пот. Если холодно, мышцы приходят в тонус, кровь не поступает в конечности и сохраняет тепло для внутренних органов, кожные поры закрываются.

Обратная связь бывает не только отрицательной, но и положительной. В таких системах обратная связь увеличивает отклонение системы от стабильного состояния, что приводит к усилению обратной связи и ещё больше провоцирует отклонение.

• В стаде

  Паника животных в стаде возрастает при виде других бегающих животных — они тоже начинают бежать. Так повышается вероятность спасения от опасности.

В 2000-х был в моде элемент навигации по сайтам — «облако тегов»:

В облаке

Более популярные ссылки в облаке тегов были визуально заметнее менее популярных. Из-за этого они привлекали к себе больше внимания и выделялись ещё больше — особенно если популярность считалась напрямую по количеству кликов в ссылки. Это тоже система с положительной обратной связью — в данном случае вредной.

Положительная обратная связь работает и в человеческих коллективах: слишком агрессивные действия руководителя в трудной ситуации могут усилить панику.

Система без обратной связи слепая и неуправляемая, а с обратной связью — саморегулируемая и эффективная. Поэтому обратная связь очень важна в системах «человек — машина», или попросту говоря, в пользовательских интерфейсах.

• На почте

  У меня в почтовом отделении работает электронная очередь. У входа стоит машинка с единственной кнопкой. Нажимаешь кнопку, и через две секунды на чековой ленте печатается номерок.

  Эти две секунды — целая вечность. Многие решают, что кнопка не сработала, и жмут ещё раз. Рядом с машинкой всегда валяются «лишние» номерки. Если бы машинка делала хоть что-то сразу в ответ на нажатие — издавала звук или мигала лампочкой — такой проблемы бы не было.

  Илья Бирман. Пользовательский интерфейс. Глава «Обратная связь»

Для дизайнеров интерфейсов само собой разумеется, что кнопка на экране визуально «нажимается», курсор мыши меняется при наведении на ссылки, а при длительных операциях компьютер показывает «крутилки» и прогрессбары.

Но слишком грубая обратная связь при ошибке пользователя может сбить его с толку и вызвать новые ошибки — как в системах с положительной обратной связью. Например, если показать пользователю модальное окно с описанием его ошибки, это прервёт его работу и он может забыть, какое действие собирался совершить.

В Фотошопе

Самые лучшие интерфейсы дают «настоящую», мгновенную обратную связь:

На карте

Мгновенная обратная связь выдаётся не в момент окончательной установки значения параметра, а непосредственно и постоянно в процессе изменения. Так работает прокрутка пальцем на Айфоне, настройка фильтров в окнах предварительного просмотра в Фотошопе, масштабирование объектов и обтекание текста в Индизайне.

Формула любого пользовательского интерфейса выглядит так:

 Человек  Компьютер 

P. S. Подробнее об обратной связи читайте в книге Ильи Бирмана «Пользовательский интерфейс». Доступен предзаказ и уже несколько глав второго раздела, а глава «Обратная связь» как раз ближайшая в очереди.