피드백
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1. 개요
피드백은 출력 신호가 입력 신호에 영향을 미치는 순환 과정 또는 시스템을 의미한다. 이 개념은 고대부터 존재했으며, 18세기 경제 이론에 도입되었으나, 20세기 초 전자 공학, 사이버네틱스, 생물학 등 다양한 분야에서 발전했다. 피드백은 출력 증가가 입력이나 연산을 촉진하는 양의 피드백과, 출력 증가가 입력이나 연산을 억제하는 음의 피드백으로 나뉜다. 이러한 피드백은 자동 제어, 생물학적 시스템, 경제, 심리학, 컴퓨터 과학, 음악, 경영 등 다양한 분야에서 응용된다.
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| 피드백 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 현재 상태에 대한 정보를 사용하여 미래 상태에 영향을 미치는 과정 |
| 의미 | 첫 번째 시스템이 두 번째 시스템에 영향을 주고, 두 번째 시스템이 첫 번째 시스템에 영향을 주는 순환 논리를 포함한다. 단순한 인과 관계 추론으로는 이해하기 어렵고, 시스템 전체를 분석해야 한다. 비즈니스에서 피드백은 조치, 이벤트 또는 프로세스에 대한 평가 또는 수정 정보를 원래 또는 제어 소스로 전송하는 것이다. |
| 역사 | |
| 발명 | 1927년 아이디어 발안 1934년 학회 발표 1937년 특허 수리 |
| 관련 인물 | 해럴드 블랙 |
| 시스템 이론 및 사이버네틱스 | |
| 관련 개념 | 자기조직화 창발 집단 행동 사회 역학 집단 지성 집단 행동 자기조직 임계 현상 군중 심리 상전이 에이전트 기반 모델 동기화 개미 군집 최적화 입자 군집 최적화 군집 행동 집단 의식 네트워크 과학 척도 없는 네트워크 사회 네트워크 분석 스몰 월드 네트워크 중심성 네트워크 모티프 그래프 이론 확장성 강건성 시스템 생물학 동적 네트워크 분석 복잡 적응 시스템 진화와 적응 인공 신경망 진화 연산 유전 알고리즘 유전 프로그래밍 인공 생명 기계 학습 진화 발생 생물학 인공지능 진화 로봇 공학 진화 가능성 패턴 형성 프랙탈 반응-확산 시스템 편미분 방정식 소산 구조 침투 셀룰러 오토마타 공간 생태학 자기 복제 지형학 시스템 이론 오토포이에시스 대화 이론 엔트로피 되먹임 목표 지향 항상성 정보 이론 조작화 2차 사이버네틱스 자기 참조 시스템 역학 시스템 과학 시스템 사고 의미 형성 다양성 계산 이론 비선형 역학 시계열 분석 상미분 방정식 위상 공간 끌개 개체군 역학 카오스 이론 다중 안정성 분기 이론 결합 지도 격자 게임 이론 죄수의 딜레마 합리적 선택 이론 제한된 합리성 진화 게임 이론 |
| 참고 | |
| 관련 문서 | Wikipedia:버그 보고 |
| 용어 | 반결합 |
2. 역사
자기 조절 메커니즘은 고대부터 존재해 왔으며, 피드백 개념은 18세기 영국에서 경제 이론에 도입되기 시작했다. 하지만 당시에는 이를 보편적인 추상 개념으로 인식하지 못했고, 따라서 별도의 명칭도 없었다.[4]
피드백은 시스템의 출력이 다시 입력이나 시스템 작동 방식에 영향을 미치는 것을 말한다. 시스템이 입력 신호를 받아 특정 연산을 수행하여 출력을 내보낼 때, 이 출력이 되돌아와 입력이나 연산 과정에 영향을 주는 구조를 피드백 루프라고 한다. 이때 입력과 출력 사이의 관계를 이득(gain)이라 하며, 피드백이 없을 때의 이득을 '개방 루프 이득'이라고 부른다. 피드백 경로를 통해 되돌아온 신호가 원래 입력 신호의 몇 배가 되는지를 나타내는 값을 루프 이득(loop gain)이라고 한다.[2]
최초로 알려진 인공 피드백 장치는 기원전 270년 이집트의 알렉산드리아에서 발명된 부력 밸브이다. 이 장치는 물탱크의 수위를 일정하게 유지하는 데 사용되었으며[5], 피드백 원리를 잘 보여준다. 수위가 낮아지면 밸브가 열려 물이 들어오고, 물이 차올라 목표 수위에 도달하면 부력에 의해 밸브가 닫히는 방식이다. 수위 변화에 따라 이 과정이 반복적으로 일어난다.[5]
원심 조속기는 17세기부터 풍차의 맷돌 사이의 거리와 압력을 조절하는 데 사용되었다. 이후 1788년, 제임스 와트는 사업 파트너 매슈 불턴의 제안을 받아들여 자신이 생산하는 증기 기관의 속도를 제어하기 위한 원심 조속기를 설계했다. 초기의 증기 기관은 주로 물을 퍼올리는 데 사용되는 왕복 운동 방식이었기 때문에 작동 속도의 변화가 큰 문제가 되지 않았다. 그러나 증기 기관이 다른 용도로 사용되면서 더 정밀한 속도 제어가 필요해졌다.
1868년 제임스 클러크 맥스웰은 "On governors"라는 논문을 발표했는데, 이는 피드백 제어 이론의 고전으로 평가받는다.[6] 이 논문은 제어 이론과 피드백의 수학적 기초를 다지는 획기적인 연구였다.
기계적인 과정에서 이전 상태로 되돌아간다는 의미의 동사구 "to feed back"은 1860년대 미국에서 사용되기 시작했다.[7][8] 1909년에는 노벨상 수상자인 칼 페르디난트 브라운이 전자 회로 내에서 원치 않는 구성 요소 간의 결합을 설명하기 위해 명사 형태인 "feed-back"이라는 용어를 사용했다.[9]
1912년 이후, 초기 오디오관을 이용한 전자 증폭기 연구자들은 출력 신호의 일부를 입력 회로로 되돌리면 증폭률이 증가하지만(재생 회로), 때로는 기기가 울리는 현상이 발생한다는 것을 발견했다.[10] 이렇게 출력 신호를 입력으로 되돌리는 작용을 가리켜 1920년대부터 "피드백(feedback)"이라는 용어가 하나의 단어로 사용되기 시작했다.[10]
1940년대에는 사이버네틱스 분야가 발전하면서 순환적인 인과 관계와 피드백 메커니즘에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다.
시간이 흐르면서 피드백의 가장 적합한 정의에 대한 논쟁이 있었다. 사이버네틱스 학자 애쉬비는 1956년에 수학자나 이론가들은 이론의 단순성과 일관성을 위해 "순환 작용"이라는 넓은 정의를 선호한다고 언급했다. 반면, 좀 더 실용적인 목표를 가진 사람들은 피드백이 명확한 연결을 통해 의도된 효과를 내는 작용이어야 한다고 주장했다. 애쉬비는 실험가들이 수학자의 정의에 따르면 단순한 진자의 위치와 운동량 사이에도 피드백이 존재한다고 말해야 하는 점을 지적하며, 이는 실용적인 관점에서 다소 모호하게 느껴질 수 있다고 설명했다. 이에 대해 수학자들은 피드백이 실제 전선이나 신경과 같은 물리적 연결이 있을 때만 존재한다고 한정하면 이론이 불필요하게 복잡해질 것이라고 반박했다.[11]
경영 이론에서의 활용에 초점을 맞춘 Ramaprasad는 1983년에 피드백을 "...시스템 매개변수의 실제 수준과 기준 수준 사이의 차이에 대한 정보"로 정의하며, 이 정보가 "어떤 방식으로든 차이를 변경하는 데" 사용되어야 한다고 설명했다. 그는 정보 자체가 행동으로 이어지지 않으면 피드백으로 볼 수 없다고 강조했다.[12]
3. 유형
피드백은 출력이 시스템에 미치는 영향에 따라 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.[2]
여기서 '양(positive)'과 '음(negative)'이라는 용어는 피드백의 효과가 좋다거나 나쁘다는 가치 판단을 의미하는 것이 아니라, 변화의 방향성(증가 또는 감소)을 나타내는 기술적인 구분이다. 따라서 '선순환'이나 '악순환'과 같은 의미와는 다르다.[2]
각 피드백 유형의 구체적인 작동 방식, 특징, 예시 등은 해당 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.
3. 1. 양의 피드백 (Positive Feedback)
'''양의 피드백'''(양귀환)은 시스템의 출력이 다시 입력이나 연산 과정에 영향을 주어 그 출력을 더욱 증가시키는 방식의 피드백이다. 되먹임 신호가 입력 신호와 위상이 일치할 때 발생하며,[1] 루프 이득이 양수인 특징을 가진다.[2] "양"이라는 용어는 가치 판단("좋음")을 의미하는 것이 아니며, "선순환"과는 다른 개념이다.[2]
양의 피드백이 작용하면 시스템 전체의 이득은 피드백이 없을 때(개방 루프 이득)보다 커진다.[2] 특히 루프 이득이 1을 넘어서면, 시스템이 파탄에 이르기 전까지 출력은 계속해서 증가한다.[2] 이러한 특성 때문에 입력 신호가 사라져도 출력을 유지할 수 있다.[2] 또한, 특정 이득 조건에서는 출력이 최대치와 최소치 사이를 오가는 진동을 일으킬 수 있다.[1] 양의 피드백은 회로에 히스테리시스를 도입하여 작은 신호는 무시하고 큰 신호에만 반응하게 만들기도 한다.[1] 이는 디지털 신호의 잡음을 제거하는 데 사용되기도 한다.[1] 때로는 출력이 특정 상태(최대 또는 최소)에 고정되는 래치(latch) 현상이 발생하는데, 이는 정보를 일시적으로 저장하는 쌍안정 회로(bistable circuit)를 만드는 데 활용된다.[1] 초기 상태의 미세한 차이가 시간이 지남에 따라 매우 큰 결과 차이로 이어질 수 있어, 카오스적인 행동을 보이거나 시스템의 복잡성과 다양성을 만드는 원인이 되기도 한다.[2]
대표적인 예로 오디오 피드백이 있다. 마이크가 자신이 감지한 소리를 증폭하는 스피커 앞에 놓이면, 스피커에서 나온 소리가 다시 마이크로 들어가 증폭되는 과정이 반복된다.[1] 이 과정에서 루프 이득이 충분히 커지면 "하울링"이라 불리는, 오디오 시스템, PA 시스템, 록 음악 공연 등에서 들을 수 있는 날카로운 소음이 발생한다.[1]
3. 2. 음의 피드백 (Negative Feedback)
음의 피드백(Negative Feedback) 또는 '''음귀환'''(陰歸還)은 시스템의 출력이 증가할 때, 그 출력이 다시 시스템의 입력이나 연산 과정에 영향을 주어 결과적으로 출력을 감소시키거나 억제하는 방식으로 작동하는 피드백 메커니즘이다.[15] 즉, 출력 신호가 입력 신호에 대해 180°의 위상 차이를 가지며(서로 반대 방향), 루프 이득이 음수 값을 갖는다.
이러한 방식은 시스템 출력을 안정된 상태로 유지하려는 경향이 있어, 시스템의 안정성과 정확성을 높이는 데 기여한다. 외부 방해 요인이나 내부 변동에 시스템이 덜 민감하게 반응하도록 만들며, 출력 오류를 스스로 수정하는 데 사용된다.[46] 예를 들어, 증폭기 회로에서는 음의 피드백을 이용하여 이득을 안정시키고 신호의 왜곡을 줄인다.[47]
음의 피드백의 대표적인 예시는 자동차의 크루즈 컨트롤(정속 주행 장치) 시스템이다. 운전자가 설정한 목표 속도(설정점)를 유지하기 위해, 자동차의 현재 속도(속도계로 측정)와 목표 속도 사이의 차이(오류)를 지속적으로 감지한다. 만약 자동차 속도가 목표보다 느려지면, 시스템은 엔진으로 가는 연료량을 늘려 토크를 증가시키고 속도를 높인다. 반대로 속도가 목표보다 빨라지면 연료량을 줄여 속도를 낮춘다. 이러한 과정을 통해 도로나 바람 같은 외부 방해 요인에도 불구하고 자동차는 설정된 속도를 유지하려고 노력한다.
생물학적 시스템에서도 음의 피드백은 항상성 유지에 필수적이다. 예를 들어, 물질대사 과정에서 특정 물질이 과도하게 생성되면, 그 물질 자체가 자신의 생성을 촉진하는 효소의 활동을 억제하여 생산량을 조절한다. 체온이나 혈당량 조절 등 다양한 생리 과정이 음의 피드백을 통해 안정적으로 유지된다.
"음의(Negative)"라는 용어는 피드백의 효과가 '나쁘다'는 가치 판단을 의미하는 것이 아니라, 변화의 방향이 현재 상태를 '억제'하거나 '감소'시키는 방향으로 작용한다는 기술적인 의미를 갖는다.
그러나 음의 피드백 시스템이라도 피드백 루프 내에 신호 전달의 시간 지연이 존재하면 문제가 발생할 수 있다. 시간 지연 때문에 시스템의 반응이 늦어지면, 출력이 목표값을 중심으로 계속해서 오르내리는 불안정한 상태, 즉 발진이 일어날 수 있다. 따라서 안정적인 음의 피드백 시스템을 설계하려면 시간 지연 효과를 고려해야 하며, 시스템 안정성 평가에는 위상 여유나 보드 선도 같은 개념이 사용된다.
3. 3. 기타 피드백 유형
일반적으로 피드백 시스템은 여러 신호를 되먹임 받을 수 있으며, 피드백 루프는 양성 피드백과 음성 피드백이 혼합된 경우가 많다. 이때 양성 피드백과 음성 피드백은 시스템 상태 공간 내에서 서로 다른 주파수나 지점에서 우세하게 나타날 수 있다.
'''이극 피드백'''(bipolar feedback)은 생물학적 시스템에서 주로 발견되는 형태로, 양성 피드백 시스템과 음성 피드백 시스템이 서로 상호 작용하는 경우를 말한다. 즉, 한 시스템의 출력이 다른 시스템의 입력에 영향을 미치고, 그 반대의 경우도 발생하는 복합적인 피드백 형태이다.[25] 생체 내 물질대사나 세포대사 과정에서 중간 산물이나 최종 산물이 대사 과정을 조절하는 작용, 자율신경계의 교감신경계와 부교감신경계 균형 조절, 생체시계에 따른 생체 주기 등도 넓은 의미에서 이러한 복합적인 피드백의 예로 볼 수 있다.
피드백을 포함하는 시스템은 매우 다양한 거동을 보일 수 있다. 일부 비선형 시스템은 카오스적 거동과 같이 예측하기 어려운 복잡한 양상을 나타내는 반면, 디지털 시스템처럼 훨씬 예측 가능한 거동을 보이는 경우도 있다.
디지털 시스템에서도 피드백은 광범위하게 활용된다. 예를 들어, 이진 카운터와 같은 장치는 현재 상태와 입력을 바탕으로 새로운 상태를 계산하고, 그 결과를 다시 장치에 입력하여 상태를 업데이트하는 방식으로 피드백을 이용한다.
4. 다양한 분야에서의 응용
피드백은 시스템의 동작을 원하는 목적에 맞게 조절하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 시스템을 안정화하거나, 외부 변화에 더 잘 반응하게 만들거나, 특정 상태를 일정하게 유지할 수 있다. 피드백이 있는 동역학계는 카오스의 경계에 적응하는 특성을 보이기도 한다.[26]
물리계에서는 구성 요소 간의 상호작용 자체가 피드백으로 나타나며, 실험 조건을 정밀하게 조절하거나 신호 처리에서 잡음을 줄이고 신호를 제어하는 데에도 피드백 원리가 중요하다.[27] 피드백 제어 시스템과 관련된 열역학적 측면, 특히 엔트로피 감소나 시스템 성능 향상과 관련된 연구는 맥스웰의 악마 논의 이후 물리학자들의 지속적인 관심사였다.[28][29]
피드백 원리는 자연과학, 공학, 사회과학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다. 생물학에서는 항상성 유지, 유전자 발현 조절, 면역 반응 등 다양한 생명 현상에 피드백 원리가 적용된다. 기후 시스템 내에서도 대기, 해양, 육지 간의 상호작용에서 다양한 피드백 과정이 중요한 역할을 한다. 제어 이론 분야에서는 시스템의 상태를 원하는 대로 제어하기 위해 피드백을 필수적으로 활용하며, 심리학적으로는 인간의 행동이나 감정 조절 과정에서도 피드백 루프를 찾아볼 수 있다. 이 외에도 경제학, 컴퓨터 과학, 음악, 경영학 등 여러 분야에서 피드백 개념이 중요하게 다뤄진다.
4. 1. 생물학
생물학에서 피드백은 생체 내 환경을 일정하게 유지하거나(항상성) 물질대사 과정을 조절하는 등 다양한 생명 현상에서 중요한 역할을 한다. 생체 내 물질대사 과정에서 생성된 중간 산물이나 최종 산물이 해당 대사 과정을 조절하는 작용이 대표적인 예시다.생물체, 생태계, 생물권과 같은 생물학적 시스템은 특정 환경 조건 하에서 여러 매개변수를 최적 수준의 좁은 범위 내에서 유지해야 한다. 외부 또는 내부 환경 변화로 인해 최적 값에서 벗어날 수 있으며, 때로는 환경 변화에 적응하기 위해 시스템 자체가 조절 범위를 변경하기도 한다. 이러한 조절 과정은 수용 시스템이 변화를 감지하고, 정보 채널을 통해 조절 모듈로 정보를 전달하는 방식으로 이루어진다. 혈당 조절과 관련된 인슐린 진동이 이러한 피드백 조절의 한 예이다.
생물 시스템에는 양성 피드백과 음성 피드백 회로가 모두 존재한다. 양성 피드백은 과정을 가속하는 경향이 있고, 음성 피드백은 과정을 늦추는 경향이 있다. 예를 들어, 호르몬 분비가 촉진되어 더 많은 호르몬 분비를 유도하는 것은 양성 피드백에 해당하며, 얼굴이 붉어지는 것을 인지하고 더 당황하여 얼굴이 더 붉어지는 심리적 현상("수치 루프")도 양성 피드백의 예시로 볼 수 있다.[36] 반면, 항상성 유지는 주로 음성 피드백을 통해 이루어진다. 효소학에서는 대사 경로의 최종 생성물이나 하류 대사산물이 초기 단계의 효소 활성을 조절하는 피드백 저해가 음성 피드백의 대표적인 예이며, 이는 알로스테릭 조절의 한 형태이다.
피드백은 신경계 조절에도 관여한다. 교감신경계와 부교감신경계 사이의 균형을 유지하는 자율신경계의 조절이나 생체시계에 따른 생체 주기 조절이 이에 해당한다. 또한, 거울 뉴런은 관찰한 행동을 자신이 직접 수행하는 것처럼 뇌에서 모방하여 사회적 상호작용에서 피드백 시스템의 일부로 기능한다. 시상하부-뇌하수체-부신 축 역시 양성 및 음성 피드백에 의해 복잡하게 조절된다.
유전자 발현 조절에서도 피드백은 핵심적인 역할을 한다. 억제 단백질과 활성화 단백질은 유전자 조절 네트워크, 특히 유전적 오페론 구조 내에서 피드백 루프를 형성하여 유전자 발현을 조절한다. 이는 1961년 프랑수아 자코브와 자크 모노에 의해 밝혀졌다.[34] 이러한 피드백 루프는 양성이거나 음성일 수 있다.
면역계에서도 피드백은 중요하다. 정상적인 조직의 구조와 기능은 세포 간의 접착 분자나 분비 분자를 통한 피드백 상호작용에 의해 유지된다. 조직이 손상되거나 감염되면, 염증 매개체가 세포의 피드백 반응을 유발하여 유전자 발현을 변화시키고 면역 반응을 조절하는 분자들의 분비를 유도한다. 이를 통해 다양한 세포가 협력하여 조직 구조와 기능을 복원하고 감염으로부터 회복할 수 있다.[31][32] 암 발생 시 이러한 주요 피드백 메커니즘에 문제가 생겨 조직 기능과 면역 기능이 저해될 수 있다.[30][31][32]
더 큰 규모에서는 동물 개체군 조절에도 피드백이 관여한다. 피드백은 외부 변화에도 불구하고 개체군을 안정시키는 효과를 줄 수 있지만, 반응 시간 지연으로 인해 포식자-피식자 순환과 같은 변동을 일으키기도 한다.[35]
한편, 인간이 혈압이나 심박수와 같은 불수의적인 생리적 과정을 의식적으로 조절하는 훈련 방법으로 바이오피드백이 활용되기도 한다.
4. 2. 공학
피드백은 공학의 여러 분야, 특히 제어 이론과 전자공학에서 시스템의 동작을 원하는 대로 조절하고 안정화하는 데 핵심적인 역할을 한다.
=== 제어 이론 ===
제어 이론에서는 시스템의 출력을 측정하여 입력에 다시 반영하는 피드백을 광범위하게 사용한다. 이를 통해 시스템을 더 안정적으로 만들거나, 외부 변화에 더 빠르게 반응하게 하거나, 특정 상태를 일정하게 유지할 수 있다. 피드백이 있는 동역학계는 카오스의 경계에 적응하는 특성을 보이기도 한다.[26] 물리계에서는 구성 요소 간의 상호작용 자체가 피드백으로 작용하기도 하며, 실험 조건을 정밀하게 조절하거나 신호 처리에서 잡음을 줄이는 데에도 피드백 원리가 중요하다.[27] 제어 이론에서 일반적으로 '피드백'은 음의 피드백을 의미하는 경우가 많다.[39]
가장 널리 사용되는 피드백 제어기 중 하나는 PID 제어기이다. PID 제어기는 현재 시스템의 오차(비례 항 P), 과거 오차의 누적값(적분 항 I), 그리고 오차의 변화율(미분 항 D)을 종합적으로 고려하여 제어 신호를 만들어낸다.[40]
피드백 제어의 역사는 고대까지 거슬러 올라간다. 기원전 3세기경 알렉산드리아에서 발명된 플로트 밸브는 물탱크의 수위를 일정하게 유지하는 데 사용되었으며[5], 이는 현대의 기화기 연료 조절이나 수세식 변기 물탱크 수위 조절에도 유사한 원리로 적용된다. 17세기 네덜란드의 발명가 코르넬리우스 드레벨은 부화기와 화학로의 온도를 조절하는 온도조절장치를 만들었다. 18세기에는 풍차의 효율과 안정성을 높이기 위해 바람 방향에 맞춰 날개 방향을 조절하는 꼬리 날개(1745년, 에드먼드 리)나 회전 속도를 조절하는 원심 조속기(1787년, 톰 미드)가 개발되었다. 특히 제임스 와트가 증기 기관의 속도 제어를 위해 1788년 도입한 원심 조속기는 산업 혁명을 이끈 핵심 기술 중 하나였다.[16] 제임스 클러크 맥스웰은 1868년 "On governors"라는 논문을 통해 조속기의 동작을 수학적으로 분석하며 제어 이론의 기초를 다졌다.[6][16] 이후 19세기 후반에는 증기선을 위한 증기식 조타 장치(서보 메커니즘)가 개발되었고[16], 20세기 초에는 항공기의 자동 조종 장치(1912년, 엘머 스페리)와 선박 자동 조타 시스템에 대한 이론적 분석 및 PID 제어기 개념(1922년, 니콜라스 미노르스키)이 등장하며 피드백 제어 기술은 더욱 발전했다.[41]
=== 기계 및 자동차 공학 ===
내연 기관의 발달 과정에서도 피드백 제어 방식의 변화를 볼 수 있다. 20세기 후반까지 많은 내연 기관은 엔진 부하에 따라 점화 시기를 기계적으로 조절하는 진공 점화 진각과 같은 방식을 사용했다. 그러나 작고 강력하며 저렴한 마이크로 컨트롤러가 보급되면서, 이러한 기계적 피드백은 점차 전자식 엔진 관리 시스템(ECU)으로 대체되었다. ECU는 엔진의 온도, 회전 속도, 공기 흡입량 등 다양한 센서로부터 실시간 정보를 받아 연료 분사량, 점화 시기 등을 정밀하게 제어하여 엔진의 성능과 연비, 배출가스 제어 능력을 크게 향상시켰다.
=== 전자공학 ===
전자공학 분야에서 피드백은 증폭기, 발진기, 그리고 플립플롭이나 카운터와 같은 디지털 논리 회로 설계의 핵심 원리이다. 전자 회로에서의 피드백은 출력 신호의 일부를 다시 입력으로 되돌리는 것을 의미하며, 피드백이 없는 회로를 '개루프(open-loop)', 피드백이 있는 회로를 '폐루프(closed-loop)'라고 한다.[45] 전자 피드백 시스템은 기계, 열 등 다른 물리적 프로세스를 제어하는 데에도 널리 응용된다.
피드백은 되돌리는 신호의 위상에 따라 크게 음의 피드백과 양의 피드백으로 나뉜다.
- '''음의 피드백''' (Negative Feedback): 출력 신호의 일부를 입력 신호와 반대 위상(180° 위상차)으로 되돌리는 방식이다.[43] 이는 주로 시스템의 안정성과 정확도를 높이고, 입력 변화나 외부 교란에 대한 둔감도를 높이며, 왜곡을 줄이고, 원하는 이득(증폭률) 수준을 정밀하게 설정하는 데 사용된다.[46][47] 하지만 피드백 루프 내의 신호 지연 때문에 특정 조건에서는 오히려 시스템이 불안정해져 출력이 진동하거나 목표값 주변을 계속 오가는 '헌팅(hunting)' 현상이 나타날 수 있다.[44] 이러한 안정성 문제를 분석하고 해결하기 위해 벨 연구소의 해리 나이퀴스트는 나이퀴스트 안정성 판별법을, 헨드릭 보드는 보드 선도를 이용한 이득 및 위상 마진 분석법을 개발했으며, 주파수 보상 기법은 안정성 확보를 위해 회로 설계에 적용된다.
- '''양의 피드백''' (Positive Feedback): 출력 신호의 일부를 입력 신호와 같은 위상으로 되돌리는 방식이다. 이는 신호를 크게 증폭시키거나 특정 상태를 유지(래칭)하는 효과가 있다. 양의 피드백은 의도적으로 사용하여 발진기를 만들거나, 플립플롭과 같은 메모리 소자를 구현하는 데 사용된다. 여러 증폭기를 양의 피드백으로 연결하면 멀티바이브레이터와 같은 복잡한 동작을 하는 회로를 만들 수 있으며, 이는 다음과 같은 종류로 나뉜다.
- * 비안정(Astable) 회로: 안정된 상태 없이 계속 상태가 변하며, 발진기로 사용된다.
- * 단안정(Monostable) 회로: 하나의 안정된 상태를 가지며, 외부 자극에 의해 잠시 다른 상태로 갔다가 다시 안정 상태로 돌아온다. 타이머 등에 사용된다.
- * 이안정(Bistable) 회로: 두 개의 안정된 상태를 가지며, 외부 자극에 의해 한 상태에서 다른 상태로 전환되고 그 상태를 유지한다. 플립플롭이나 래치가 대표적이다.
==== 주요 응용 회로 ====
- '''발진기''' (Oscillator): 사인파나 구형파와 같은 주기적인 진동하는 전자 신호를 스스로 생성하는 회로이다.[48][49] 직류(DC) 전원을 입력받아 교류(AC) 신호로 변환하며, 라디오 및 텔레비전 송신기, 컴퓨터 및 쿼츠 시계의 클럭 신호, 전자 악기나 비디오 게임의 효과음 발생 등에 필수적이다.[48] 발진기는 생성하는 주파수 대역에 따라 저주파 발진기(LFO, 약 20Hz 미만), 오디오 발진기(약 16Hz ~ 20kHz), RF 발진기(약 100kHz ~ 100GHz) 등으로 분류되며[49], 동작 원리에 따라 선형(고조파) 발진기와 비선형(완화 발진기) 발진기로 나뉜다.[49][50] 고출력 AC 전원을 생성하는 발진기는 특별히 인버터라고 부르기도 한다.
=== 일반 원리 요약 ===
공학적 시스템에서 피드백은 시스템의 출력을 측정하여 그 정보를 다시 시스템의 입력이나 내부 동작에 영향을 주도록 되돌리는 메커니즘이다. 시스템 자체의 기본적인 이득(입력 대비 출력의 비율)을 '개방 루프 이득(Open-loop gain)'이라고 하며, 피드백 경로를 포함하여 신호가 한 바퀴 돌아왔을 때의 전체 이득을 '루프 이득(Loop gain)'이라고 한다. 피드백은 그 효과에 따라 양의 피드백(출력 증가가 시스템 동작 촉진, 루프 이득 > 0)과 음의 피드백(출력 증가가 시스템 동작 억제, 루프 이득 < 0)으로 나뉜다. 양의 피드백은 변화를 증폭시키거나 상태를 유지하는 데, 음의 피드백은 시스템을 안정화하고 오차를 줄이는 데 주로 사용된다.
현실의 모든 피드백 시스템에는 신호가 전달되고 처리되는 데 걸리는 시간 지연(Time delay)이 필연적으로 존재한다. 이 시간 지연 때문에 음의 피드백 시스템이라도 특정 주파수에서는 위상 변화가 커져 마치 양의 피드백처럼 작동할 수 있으며, 이로 인해 출력이 특정 값에 수렴하지 못하고 지속적으로 진동하는 발진(Oscillation) 현상이 발생할 수 있다. 시스템의 안정성을 평가하고 이러한 발진을 방지하기 위해 위상 여유(Phase margin)나 이득 여유(Gain margin)와 같은 지표를 사용하며, 보드 선도는 이러한 지표를 시각적으로 분석하는 데 유용한 도구이다.
4. 3. 환경 과학
기후 시스템은 대기, 해양 및 육지의 상태에 영향을 미치는 과정 사이의 강력한 양성 및 음성 피드백 루프를 특징으로 한다. 간단한 예로, 녹는 눈이 더 어두운 지면(알베도가 더 낮음)을 드러내고, 이것이 다시 열을 흡수하여 더 많은 눈이 녹는 빙설 알베도 양성 피드백 루프가 있다.
4. 4. 경제학
수확체감은 음의 피드백에 해당하며, 네트워크 외부 효과나 수확증가 등은 양의 피드백에 해당한다.4. 5. 심리학
'긍정적 피드백'과 '부정적 피드백'이라는 용어는 사용되는 분야에 따라 다른 의미로 정의되어 혼란을 일으킬 수 있다. 한 가지 정의는 목표값과 실제값 사이의 차이가 커지는 경우를 긍정적, 줄어드는 경우를 부정적으로 보는 것이다.[12] 다른 하나는 피드백을 받는 사람의 정서적 가치를 기준으로, 사람을 행복하게 만들면 긍정적, 불행하게 만들면 부정적으로 보는 정의이다.[17]특히 심리학적 맥락에서는 이 두 가지 정의가 혼란을 야기하기 쉽다. 예를 들어, 좋지 않은 성과를 개선하기 위해(차이를 줄이기 위해) 칭찬(정서적으로 긍정적)을 사용하는 경우, 첫 번째 정의로는 부정적 피드백이지만 두 번째 정의로는 긍정적 피드백이 될 수 있다. 이러한 혼란 때문에 일부 학자들은 행동이나 결과에 대한 반응을 '피드백' 대신 '긍정적 강화', '부정적 강화', '처벌' 등의 용어로 설명하는 것이 더 명확하다고 제안하기도 한다.[12][22]
일상적으로는 칭찬이나 격려처럼 기분 좋은 영향을 주는 것을 '긍정적 피드백'으로, 비난이나 부정처럼 반대의 영향을 주는 것을 '부정적 피드백'으로 부르는 경우가 많다. 하지만 이는 피드백이라는 용어가 본래 가지고 있는 순환이나 회로의 의미를 제대로 담고 있지 않다는 지적이 있다. 따라서 이러한 심리적 상호작용을 설명할 때는 '양성 스트로크'와 '음성 스트로크'라는 표현이 실제 상황에 더 부합한다고 보기도 한다.
4. 6. 컴퓨터 과학
피드백 루프는 소프트웨어 및 컴퓨팅 시스템의 실행, 유지 관리, 진화를 제어하는 일반적인 메커니즘이다.[53] 특히 적응형 소프트웨어 엔지니어링 분야에서 피드백 루프는 중요한 모델로 사용되며, 시스템 적응 과정에서 제어 요소 간의 상호 작용을 정의하여 런타임 시스템 속성을 보장하는 데 기여한다. 피드백 루프와 제어 이론의 기초는 컴퓨팅 시스템에 성공적으로 적용되어 왔으며,[54] 대표적으로 IBM의 Db2나 Tivoli와 같은 제품 개발에 활용되었다. 소프트웨어 관점에서 IBM 연구원들이 제안한 자율 컴퓨팅(MAPE: 모니터링-분석-계획-실행) 루프는 동적 속성 제어 및 자율 소프트웨어 시스템 설계와 진화에 피드백 루프를 적용한 중요한 사례로 꼽힌다.[55][56]피드백은 사용자 인터페이스 디자인에서도 유용한 설계 원칙으로 활용된다.
비디오 피드백은 음향 피드백의 영상 버전으로, 비디오 카메라 입력과 비디오 출력(예: 텔레비전 화면 또는 비디오 모니터) 사이에 루프를 만들어 복잡한 영상 이미지를 생성하는 방식이다.[57]
또한, 비디오 게임 분야에서도 게임 플레이 경험을 조절하기 위해 양성 피드백과 음성 피드백이라는 순환 구조가 자주 활용된다.[60]
4. 6. 1. 비디오 게임에서의 피드백
비디오 게임에서는 피드백 루프라는 순환 구조가 자주 보인다.[60] 여기에는 양성 피드백과 음성 피드백의 두 종류가 있다.'''양성 피드백'''(확대되는 순환 구조)은 플레이어가 잘할수록 게임이 더 쉬워지거나(선순환), 못할수록 더 어려워지는(악순환) 경우를 말한다. 예를 들어, 대전 게임에서는 이기는 쪽이 계속 유리해지고 지는 쪽은 격차가 벌어져 따라잡기 힘들어진다. 1인용 게임에서는 실력이 늘면 게임이 너무 쉬워져 지루해지거나, 반대로 한 번의 실수가 계속 불리한 상황으로 이어져 게임 클리어가 불가능해지기도 한다.
- 스플래툰에서는 땅을 더 많이 칠한 팀이 유리해진다. 넓어진 영역만큼 숨거나 이동하기 좋아져 상대를 쓰러뜨리기 쉬워지고, 이는 다시 땅을 칠할 시간을 벌어주는 선순환으로 이어진다. 반대로, 상대에게 밀리면 활동 영역이 좁아져 더욱 불리해지는 악순환이 발생한다.
- 파이어 엠블렘 시리즈에서는 전투 중 캐릭터가 사망하면 영구적으로 사라진다. 캐릭터를 잃으면 전술 선택의 폭이 좁아지고, 이는 남은 캐릭터를 더 잃게 만들 수 있는 악순환으로 이어질 수 있다.
- 점수가 높을수록 더 좋은 아이템을 얻는 게임의 경우, 좋은 아이템으로 더 높은 점수를 얻고, 이는 다시 더 좋은 아이템 획득으로 이어지는 선순환이 가능하다. 반대로, 초반에 점수가 낮으면 약한 아이템만 얻게 되어 점수 향상이 어려워지는 악순환에 빠질 수도 있다.
'''음성 피드백'''(축소되는 순환 구조)은 반대로 플레이어가 잘할수록 게임이 어려워지거나, 못할수록 쉬워지는 경우를 말한다. 이는 게임의 난이도를 조절하여 격차가 너무 벌어지는 것을 막는 역할을 한다.
- 마리오 카트 8에서는 1등 플레이어는 성능이 낮은 아이템을 얻거나 '파란 등껍질' 같은 방해를 받기 쉬운 반면, 하위권 플레이어는 강력한 아이템을 얻을 확률이 높아진다. 이는 실력 차이가 큰 플레이어들 간의 격차를 줄여주지만, 잘하는 플레이어에게는 불합리하게 느껴질 수도 있다.
- 바이오하자드 4에서는 플레이어가 피해를 거의 입지 않고 진행하면 적들이 더 강해지고 공격적으로 변한다. 반대로 플레이어가 자주 피해를 입으면 적들이 약해지고 아이템도 더 많이 등장하여 게임이 쉬워진다. 이를 통해 플레이어의 실력에 관계없이 일정한 난이도를 유지하려 한다.
- 문명 5의 '불행' 시스템이 음성 피드백의 예시다. 도시를 늘려 영토를 확장하는 것이 유리하지만, 도시가 너무 많아지면 시민들의 불행이 높아져 인구 증가 둔화, 심하면 야만인 유닛 발생 등의 페널티를 받는다. 이는 무분별한 확장을 억제하는 역할을 한다.
4. 7. 음악
울림이라고도 불린다. 의도하지 않은 소음 현상부터 음악적 표현을 위해 의도적으로 사용하는 경우까지 포함한다.일렉트릭 기타는 기타 현의 진동을 전자 회로를 통해 증폭하여 소리를 내는 악기이다. 이때, 앰프를 통해 증폭된 소리가 다시 기타 현을 진동시켜 소리가 계속 커지거나 특정 음이 길게 이어지는 발진 현상이 발생할 수 있는데, 이를 피드백이라고 한다. 일반적으로 기타 현의 진동은 시간이 지나면서 자연스럽게 줄어들지만, 적절한 피드백(양의 되먹임)을 이용하면 마치 오르간처럼 연속음을 원하는 시간 동안 유지하는 연주가 가능하다. 특히 하드록이나 헤비메탈과 같은 강렬한 음악 장르에서는 이러한 피드백 현상을 의도적으로 활용하는 피드백 연주법이 사용된다. 이 연주법은 기타 앰프에서 출력되는 소리 에너지의 일부를 이용해 악기의 현을 지속적으로 진동시키는 원리를 이용한다.
한편, FM음원 합성 방식에서도 피드백 개념이 활용된다. 야마하는 피드백 기술을 이용하여 더욱 다양하고 폭넓은 음색의 합성음을 만들어내는 방법을 개발했다.
4. 8. 경영 및 인사 관리
경영 및 인사 관리 분야에서 피드백은 다양한 형태로 활용된다. 대표적으로 직원의 업무 성과를 평가하고 개선 방향을 제시하거나, 고객의 의견을 수렴하여 상품 및 서비스 개선에 반영하는 경우가 있다.업무 성과 평가직원의 성과에 대한 피드백은 단순히 결과 정보를 전달하는 것뿐만 아니라, 행동의 반성이나 향후 개선 계획 수립을 위한 정보 제공까지 포함할 수 있다.[12] 이때 피드백은 종종 '긍정적 피드백'과 '부정적 피드백'으로 나뉘는데, 이 용어는 사용되는 맥락에 따라 다른 의미로 해석될 수 있어 주의가 필요하다.
- 목표와의 차이 기준: 피드백을 목표(기준값)와 실제 성과(실제값) 사이의 '차이' 변화를 기준으로 정의할 수 있다. 이 경우, 목표와 실제 성과 간의 차이를 줄이는 피드백(예: 성과 개선 요구)은 '부정적 피드백'으로, 차이를 늘리는 피드백은 '긍정적 피드백'으로 볼 수 있다.[12]
- 정서적 가치 기준: 피드백을 받는 사람의 감정적 반응을 기준으로 정의할 수도 있다. 이 경우, 칭찬과 같이 기분 좋은 피드백은 '긍정적 피드백', 비판이나 지적처럼 불쾌감을 주는 피드백은 '부정적 피드백'으로 간주된다.[17]
이 두 가지 정의는 혼란을 야기할 수 있다. 예를 들어, 낮은 성과를 개선하기 위한(차이를 줄이기 위한) 피드백은 첫 번째 정의에 따르면 '부정적'이지만, 전달 방식이나 내용에 따라 듣는 사람에게 긍정적인 동기 부여가 될 수도 있고(두 번째 정의 기준 '긍정적' 측면), 반대로 사기를 저하시킬 수도 있다(두 번째 정의 기준 '부정적'). 이러한 혼란 때문에 일부 전문가들은 '긍정적/부정적'이라는 용어 대신 '강화/처벌'[12][22], '자기 강화적/자기 수정적'[18], '차이 증가적/차이 감소적'[20] 등 다른 용어를 사용하기도 한다.
또한, 피드백은 양적 정보(예: 목표 달성률)와 질적 정보(예: 업무 수행 방식에 대한 평가)를 모두 포함할 수 있다. Connellan과 Zemke (1993)는 "''양적'' 피드백은 얼마나 많고 얼마나 많은지를 알려줍니다. ''질적'' 피드백은 얼마나 좋고, 나쁘고, 무관심한지를 알려줍니다."라고 언급했다.[24]
고객 의견기업 경영에서는 상품이나 서비스에 대한 고객의 의견, 검토 등을 '피드백'이라고 부르기도 한다. 이는 '고객의 목소리'로 간주되며, 기업이 고객 만족도를 파악하고 제품이나 서비스를 개선하는 데 중요한 정보로 활용된다.
5. 한국 사회에서의 피드백
양성 피드백은 되먹임 신호가 입력 신호와 위상이 일치할 때 발생한다. 특정 이득 조건에서 양성 피드백은 장치의 출력이 최대 및 최소 가능 상태 사이에서 진동할 때까지 입력 신호를 강화한다. 양성 피드백은 회로에 히스테리시스를 도입할 수도 있다. 이로 인해 회로가 작은 신호는 무시하고 큰 신호에만 반응할 수 있다. 때때로 디지털 신호의 잡음을 제거하는 데 사용된다. 어떤 상황에서는 양성 피드백으로 인해 장치가 래치될 수 있다. 즉, 출력이 최대 또는 최소 상태로 고정되는 조건에 도달한다. 이 사실은 정보의 휘발성 저장을 위한 바이 스테이블 회로를 만드는 디지털 전자 장치에서 매우 널리 사용된다.
오디오 시스템, PA 시스템 및 록 음악에서 때때로 발생하는 큰 끽끽거리는 소리는 오디오 피드백으로 알려져 있다. 마이크가 연결된 스피커 앞에 있는 경우 마이크가 감지하는 소리가 스피커에서 나오고 마이크에서 감지되어 다시 증폭된다. 루프 이득이 충분하면 증폭기의 최대 출력에서 울음 또는 끽끽거림이 가능하다.
참조
[1]
서적
Modeling the Environment
Island Press
[2]
웹사이트
feedback
https://www.merriam-[...]
MerriamWebster
2022-01-01
[3]
서적
Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers
http://authors.libra[...]
Princeton University Press
[4]
서적
Authority, liberty, & automatic machinery in early modern Europe
Johns Hopkins University Press
[5]
서적
Designing Kinetics for Architectural Facades
Routledge
[6]
학술지
On Governors
[7]
특허
Improvement in Fluting-Machines
http://www.google.co[...]
2012-03-23
[8]
특허
Improvement in Machines for Making the Spindles of Wagon-Axles
http://www.google.co[...]
2012-03-23
[9]
강연
Electrical oscillations and wireless telegraphy
http://www.cdvandtex[...]
2012-03-19
[10]
서적
A history of control engineering, 1800–1930
https://books.google[...]
Peregrinus for the Institution of Electrical Engineers
[11]
서적
An introduction to cybernetics
http://pcp.vub.ac.be[...]
Chapman & Hall
[12]
학술지
On the definition of feedback
[13]
서적
Between Human and Machine : Feedback, Control, and Computing before Cybernetics.
https://books.google[...]
Johns Hopkins University Press
[14]
학술지
High Frequency Amplifiers
1924-04
[15]
학술지
Stabilized feed-back amplifiers
1934-01
[16]
학술지
On Governors
http://en.wikipedia.[...]
[17]
학술지
Research Notes. FEEDBACK THE DEFINITION OF A CONSTRUCT.
[18]
서적
The Fifth Discipline: The Art and Practice of the Learning Organization
https://archive.org/[...]
Doubleday
[19]
서적
Business Dynamics: Systems Thinking and Modeling for a Complex World
McGraw Hill/Irwin
[20]
서적
On the Self-Regulation of Behavior
Cambridge University Press
[21]
서적
Circuit Theory of Linear Noisy Networks
MIT Press
[22]
학술지
The Experimental Analysis of Behavior
1957-09
[23]
서적
Analysis of the dynamic psychological systems: methods and applications
[24]
서적
Sustaining Knock Your Socks Off Service
AMACOM
1993-07-01
[25]
서적
Introduction to Bioregulatory Medicine
Thieme
[26]
학술지
Adaptation to the edge of chaos with random-wavelet feedback
2009
[27]
학술지
Feedback for physicists: A tutorial essay on control
https://link.aps.org[...]
2005-08-31
[28]
학술지
Second Law of Thermodynamics with Discrete Quantum Feedback Control
https://link.aps.org[...]
2008-02-26
[29]
학술지
Thermodynamics of feedback controlled systems
https://link.aps.org[...]
2009-04-10
[30]
학술지
Dynamic aberrant NF-κB spurs tumorigenesis: A new model encompassing the microenvironment.
2015-06-20
[31]
학술지
Aberrant control of NF-κB in cancer permits transcriptional and phenotypic plasticity, to curtail dependence on host tissue: molecular mode.
2017-08
[32]
학술지
TLR-signaling and proinflammatory cytokines as drivers of tumorigenesis.
2017-01
[33]
학술지
Allosteric controls of amphilbolic pathways in bacteria.
1970-03
[34]
학술지
Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins.
1961-06
[35]
학술지
Resilience and stability of ecological systems
[36]
잡지
The Emotional/Relational World
http://www.psycholog[...]
2013-07-10
[37]
웹사이트
The Study of Earth as an Integrated System
https://climate.nasa[...]
NASA
2016
[38]
보고서
Technical Summary
https://www.ipcc.ch/[...]
IPCC
2021
[39]
서적
Dynamics of Feedback Systems
J. Wiley
1981
[40]
웹사이트
PID Control
http://www.eolss.net[...]
[41]
학술지
Directional stability of automatically steered bodies
1922
[42]
서적
Circuit Analysis and Feedback Amplifier Theory
CRC Press
2005
[43]
서적
Basic Electronics: Devices, Circuits and IT Fundamentals
https://books.google[...]
PHI Learning Pvt. Ltd
2009
[44]
문서
With mechanical devices, hunting can be severe enough to destroy the device.
[45]
서적
The Art of Electronics
Cambridge University Press
1980
[46]
서적
Linear Control Systems
Pearson Education India
2011
[47]
웹사이트
Negative Feedback & Distortion
https://learnabout-e[...]
2024-06-07
[48]
백과사전
Oscillator
http://accessscience[...]
McGraw-Hill
2011
[49]
서적
Electronics (fundamentals And Applications)
https://books.google[...]
New Age International
2006
[50]
서적
Basic Electronics
https://books.google[...]
Firewall Media
2008
[51]
서적
Digital electronics and design with VHDL
https://books.google[...]
Morgan Kaufmann
2008
[52]
웹사이트
Latches and Flip Flops (EE 42/100 Lecture 24 from Berkeley)
http://rfic.eecs.ber[...]
[53]
뉴스
Engineering self-adaptive and self-managing systems
Springer-Verlag
2009
[54]
서적
Feedback Control of Computing Systems
John Wiley & Sons
2004
[55]
뉴스
The vision of autonomic computing
2003
[56]
뉴스
Autonomic computing: Now you see it, now you don't—design and evolution of autonomic software systems
2009
[57]
서적
I Am a Strange loop
https://archive.org/[...]
Basic Books
2007
[58]
문서
記録にある機器で古いものとしては、1600年頃の人コルネリウス・ドレベルによるサーモスタットがある。
[59]
서적
制御工学の基礎
東京電機大学出版局
2016
[60]
웹사이트
Level 4.4: Feedback Loops: Game Design Concepts
https://learn.canvas[...]
2021-07-04
[61]
서적
An introduction to cybernetics
http://pcp.vub.ac.be[...]
Chapman & Hall
1957
[62]
웹사이트
대한의협 의학용어 사전
https://www.kmle.co.[...]
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