سیستم های الکترونیکی

 

سیستم های الکترونیکی پیوند فیزیکی اجزا یا قطعاتی است که مقادیر مختلف اطلاعات را با هم جمع می کند.

این کار را با کمک دستگاههای ورودی مانند حسگرها انجام می دهد که به نوعی به این اطلاعات پاسخ می دهند.

سپس از انرژی الکتریکی در قالب یک عمل خروجی برای کنترل یک فرآیند فیزیکی یا انجام برخی از انواع عملیات ریاضی روی سیگنال استفاده می کند.

اما سیستم های کنترل الکترونیکی را می‌توان فرایندی‌دانست که یک‌سیگنال را به‌سیگنال دیگر تبدیل‌‌می‌کند تا پاسخ‌مطلوب سیستم را ارائه دهد.

سپس می توان گفت که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل :

• یک ورودی
• یک فرایند
• یک خروجی

با متغیر ورودی به سیستم و متغیر خروجی از سیستم هر دو سیگنال هستند.

روشهای زیادی برای نمایش یک سیستم وجود دارد.

به عنوان مثال:

از نظر ریاضی ، توصیفی ، تصویری یا شماتیک.

سیستم های الکترونیکی عموماً بصورت شماتیک به عنوان مجموعه ای از بلوک ها و سیگنال های به هم پیوسته نمایش داده می شوند که هر بلوک دارای مجموعه ورودی و خروجی خاص خود است.

در نتیجه ، حتی پیچیده ترین سیستم های کنترل الکترونیکی را می توان با ترکیبی از بلوک های ساده نشان داد که هر بلوک حاوی یا نماینده یک جزء جداگانه یا زیرسیستم کامل است.

نمایش یک سیستم الکترونیکی یا سیستم کنترل فرآیند به‌عنوان تعدادی‌بلوک یا جعبه به‌هم پیوسته معمولاً به‌عنوان “نمایش بلوک نمودار” شناخته‌می‌شود.

نمایش بلوک دیاگرام یک سیستم ساده الکترونیکی

 

 

سیستم های الکترونیکی دارای هر دو‌ورودی و خروجی هستند که خروجی یا خروجی‌های آنها با پردازش ورودی ها تولید می‌شود.

همچنین ، سیگنال (های) ورودی ممکن است باعث تغییر فرایند شود یا خود باعث تغییر عملکرد سیستم شود.

بنابراین ورودی (های) یک سیستم “علت” تغییر است ، در حالی که عملکرد حاصله که به دلیل وجود این علت بر روی خروجی سیستم ها اتفاق می افتد ، “اثر” نامیده می شود ، و معلول پیامد علت است.

به عبارت دیگر ، یک سیستم الکترونیکی را می توان در طبیعت “علت” طبقه بندی کرد.

زیرا بین ورودی و خروجی آن رابطه مستقیم وجود دارد.

تجزیه و تحلیل سیستم های الکترونیکی و نظریه کنترل فرایند عموماً بر‌اساس این تجزیه و تحلیل علت و معلول است.

به عنوان مثال در یک سیستم صوتی ، میکروفون (دستگاه ورودی) باعث می شود تا امواج صوتی به سیگنال های الکتریکی به تقویت کننده تبدیل شوند (طی یک فرایند) ، و یک بلندگو (دستگاه خروجی) امواج صوتی را تولید می کند.

اما یک سیستم الکترونیکی نیازی به یک عملیات ساده یا واحد ندارد.

همچنین می تواند اتصال چندین سیستم فرعی باشد که همه با هم در یک سیستم کلی کار می کنند.

به عنوان مثال:

سیستم صوتی ما می تواند شامل اتصال CD player ، DVD player ، MP3 player یا گیرنده رادیو باشد که دارای چندین ورودی به یک تقویت کننده است که به نوبه خود یک یا چند مجموعه از نوع استریو یا سینمای خانگی را هدایت می کند.

اما یک سیستم الکترونیکی نمی تواند فقط مجموعه ای از ورودی ها و خروجی ها باشد ، بلکه باید “کاری انجام دهد” ، حتی اگر فقط برای نظارت بر یک سوئیچ یا روشن کردن یک چراغ باشد.

ما می دانیم که سنسورها دستگاه های ورودی هستند که اندازه گیری های دنیای واقعی را به سیگنال های الکترونیکی تشخیص داده یا تبدیل می کنند و سپس قابل پردازش هستند.

این سیگنال های الکتریکی می توانند به صورت ولتاژ یا جریان درون یک مدار باشند.

دستگاه مخالف یا خروجی، محرک نامیده می‌شود که سیگنال پردازش شده را معمولاً به‌شکل حرکت مکانیکی به عملیاتی تبدیل می‌کند.

انواع سیستم های الکترونیکی

سیستم های الکترونیکی بر روی سیگنال های زمان پیوسته (CT) یا سیگنال های زمان گسسته (DT) عمل می کنند.

سیستم زمان پیوسته سیستمی است که در آن سیگنالهای ورودی در طول پیوسته زمان تعریف می شوند.

مانند سیگنال آنالوگ که با تولید زمان یک سیگنال زمان پیوسته “ادامه” می یابد.

اما یک سیگنال زمان پیوسته همچنین می تواند از نظر اندازه متفاوت باشد یا ماهیتاً دوره ای باشد.

در نتیجه ، سیستم های الکترونیکی با زمان پیوسته معمولاً سیستمهای آنالوگ هستند و عملکرد خطی تولید می کنند که سیگنال های ورودی و خروجی آنها در یک دوره زمانی مشخص اشاره شده است.

به عنوان مثال ، دمای یک اتاق را می توان به عنوان یک سیگنال زمان پیوسته طبقه بندی کرد که می تواند بین دو مقدار یا نقاط تعیین شده ، به عنوان مثال از سرما تا گرم یا از دوشنبه تا جمعه اندازه گیری شود.

ما می توانیم یک سیگنال زمان پیوسته را با استفاده از متغیر مستقل برای زمان t نشان دهیم ، و جایی که x (t) نشان دهنده سیگنال ورودی و y (t) سیگنال خروجی را در یک دوره زمانی t نشان می دهد.

به طور‌کلی‌، اکثر سیگنال‌های موجود در دنیای فیزیکی که ما می‌توانیم از آنها استفاده کنیم، سیگنال های زمان پیوسته هستند.

به عنوان مثال ، ولتاژ ، جریان ، دما ، فشار ، سرعت و غیره.

از سوی دیگر ، سیستم زمان گسسته سیستمی است که در آن سیگنالهای ورودی پیوسته نیستند.

بلکه یک دنباله یا مجموعه ای از مقادیر سیگنال است که در نقاط “گسسته” زمان تعریف شده است.

این منجر به خروجی زمان گسسته می‌شود که عموماً به عنوان دنباله ای از مقادیر یا اعداد نمایش داده می‌شود.

به طور کلی یک سیگنال گسسته فقط در فواصل گسسته، مقادیر یا نقاط به طور مساوی در زمان مشخص می‌شود.

مثال سیگنال گسسته

دمای یک اتاق در ساعت 1 بعد از ظهر ، در 2 بعد از ظهر ، در 3 بعد از ظهر و دوباره در 4 بعد از ظهر بدون در نظر گرفتن دمای واقعی اتاق در بین این نقاط در ساعت 1:30 بعد از ظهر یا 2:45 بعد از ظهر اندازه گیری می شود.

با این حال ، یک سیگنال زمان پیوسته ، x (t) را می توان به عنوان مجموعه ای گسسته از سیگنال ها تنها در فواصل گسسته یا “لحظه در زمان” نشان داد.

سیگنال های گسسته در مقابل زمان اندازه‌گیری نمی‌شوند، بلکه در‌فواصل زمانی گسسته ترسیم می‌شوند، جایی که n فاصله نمونه‌گیری است.

در نتیجه سیگنالهای زمان گسسته معمولاً با x (n) نشان دهنده ورودی و y (n) با خروجی نشان داده می‌شوند.

سپس ما می توانیم سیگنالهای ورودی و خروجی یک سیستم را به ترتیب x و y با سیگنال نشان دهیم ، یا سیگنالها خود توسط متغیر t نشان داده می شوند ، که معمولاً زمان را برای یک سیستم پیوسته نشان می دهد و متغیر n که نشان دهنده یک عدد صحیح است برای یک سیستم گسسته همانطور که نشان داده شده است.

سیستم زمان پیوسته و زمان گسسته

اتصال سیستم ها

یکی از جنبه های عملی سیستم های الکترونیکی و نمایش نمودار بلوکی این است که می توان آنها را به صورت سری یا ترکیبی موازی با یکدیگر ترکیب کرد و سیستم های بسیار بزرگتری را تشکیل داد.

بسیاری از سیستمهای واقعی بزرگتر با استفاده از اتصال چندین زیر سیستم ساخته می شوند و با استفاده از نمودارهای بلوکی برای نشان دادن هر زیر سیستم ، می توانیم نمای گرافیکی از کل سیستم مورد تجزیه و تحلیل را ایجاد کنیم.

هنگامی که زیرسیستم ها برای تشکیل یک مدار سری ترکیب می شوند ، خروجی کلی y (t) معادل ضرب سیگنال ورودی x (t) خواهد بود ، همانطور که زیر سیستم ها به هم متصل هستند.

اتصال سیستم ها به صورت سری

برای یک سیستم متصل به سیستم پیوسته ، سیگنال خروجی y (t) زیر سیستم اول ، “A” به سیگنال ورودی زیر سیستم دوم تبدیل می شود ، “B” که خروجی آن ورودی زیر سیستم سوم ، “C” و به همین ترتیب از طریق زنجیره سری AxBxC  و غیره.

سپس سیگنال ورودی اصلی از طریق یک سیستم متصل به سری بارگذاری می شود ، بنابراین برای دو زیرسیستم متصل به سری ، خروجی واحد معادل برابر با ضرب سیستم ها خواهد بود ، یعنی y (t) = G1 (s) x G2 (s) به جایی که G نشان دهنده عملکرد انتقال زیر سیستم است.

توجه داشته باشید که اصطلاح “تابع انتقال” یک سیستم به رابطه ریاضی بین ورودی سیستم و خروجی آن ، یا خروجی/ورودی اشاره می کند و از این رو رفتار سیستم را توصیف می کند.

همچنین ، برای یک سیستم متصل به سری ، ترتیب انجام عملیات سری از نظر سیگنال های ورودی و خروجی اهمیتی ندارد زیرا: G1 (s) x G2 (s) همان G2 (s) x G1 ( s) نمونه ای از مدارهای متصل سری ساده می تواند یک میکروفون منفرد باشد که از تقویت کننده تغذیه می کند و سپس بلندگو.

اتصال سیستم ها به صورت موازی

برای یک سیستم زمان پیوسته متصل به موازی ، هر زیرسیستم سیگنال ورودی یکسانی را دریافت می کند و خروجی های جداگانه آنها با هم جمع می شوند تا خروجی کلی y (t) تولید شود.

سپس برای دو زیر سیستم متصل به هم موازی ، خروجی واحد معادل مجموع دو ورودی جداگانه خواهد بود یعنی:

 y (t) = G1 (s) + G2 (s)

مثالی از یک مدار متصل موازی می تواند چندین میکروفون باشد که در میز مخلوط کننده تغذیه می شوند و به نوبه خود سیستم تقویت کننده و بلندگو را تغذیه می کنند.

سیستم های فیدبک الکترونیکی

ارتباط مهم دیگر سیستم ها که به طور گسترده در سیستم های کنترل استفاده می شود ، “پیکربندی بازخورد” است.

در سیستمهای بازخورد‌، بخشی از سیگنال خروجی “تغذیه می‌شود” و یا به سیگنال ورودی اصلی اضافه یا از‌آن کم می‌شود.

نتیجه‌این است که خروجی سیستم به‌طور مداوم در‌حال‌تغییر یا به‌روز‌رسانی ورودی خود با هدف اصلاح پاسخ سیستم برای بهبود ثبات‌است.

همانطور که نشان داده می شود ، معمولاً از سیستم بازخورد به عنوان “سیستم حلقه بسته” یاد می شود.

سیستم فیدبک حلقه بسته

سیستم های بازخورد در بیشتر طراحی‌های سیستم های الکترونیکی کاربردی برای کمک‌ به ثبات سیستم و افزایش کنترل آن بسیار مورد‌استفاده قرار می‌گیرد.

اگر حلقه بازخورد ارزش سیگنال اصلی را کاهش دهد ، حلقه بازخورد به عنوان “بازخورد منفی” شناخته می شود.

اگر حلقه بازخورد به ارزش سیگنال اصلی اضافه شود ، حلقه بازخورد به عنوان “بازخورد مثبت” شناخته می شود.

یک مثال از یک سیستم بازخورد ساده می تواند یک سیستم گرمایش کنترل شده توسط ترموستات در خانه باشد.

اگر خانه بسیار گرم است ، حلقه بازخورد سیستم گرمایش را “خاموش” می کند تا خنک تر شود.

اگر خانه بسیار سرد است ، حلقه بازخورد سیستم گرمایش را “روشن” می کند تا گرم شود.

در این مثال ، سیستم شامل سیستم گرمایش ، دمای هوا و حلقه بازخورد کنترل شده توسط ترموستات است.

عملکرد انتقال سیستم ها

هر زیرسیستم می تواند به صورت یک بلوک ساده با ورودی و خروجی مطابق شکل نشان داده شود.

به طور کلی ، ورودی به عنوان: θi و خروجی به عنوان: θo تعیین می شود.

نسبت خروجی به ورودی نشان دهنده سود (G) زیر سیستم است و بنابراین به صورت زیر تعریف می شود:

 G = θo/θi

در این مورد ، G نشان دهنده عملکرد انتقال سیستم یا زیر سیستم است.

هنگام بحث در مورد سیستم های الکترونیکی از نظر عملکرد انتقال آنها ، از عملگر پیچیده ، s استفاده می‌شود.

سپس معادله افزایش به صورت زیر بازنویسی می شود:

G (s) = θo (s)/θi (s)

خلاصه سیستم الکترونیکی

ما مشاهده کرده ایم که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل ورودی ، فرایند ، خروجی و احتمالاً بازخورد است.

سیستم های الکترونیکی را می توان با استفاده از بلوک نمودارهای به هم پیوسته نشان داد.

پس در آن خطوط بین هر بلوک یا زیرسیستم نشان دهنده جریان و جهت یک سیگنال از طریق سیستم است.

بلوک نمودارها نیازی به نشان دادن یک سیستم واحد ساده ندارند.

اما می‌توانند نشان‌دهنده سیستم های بسیار پیچیده‌ای باشند که از بسیاری از زیر سیستم های به‌هم پیوسته ساخته شده‌اند.

بسته به جریان سیگنال‌ها، این زیر سیستم‌ها می‌توانند به صورت سری، موازی یا ترکیبی از هر دو به‌هم متصل شوند.

ما همچنین‌مشاهده‌کرده‌ایم که سیگنال‌ها و سیستم های الکترونیکی می‌توانند ماهیت‌پیوسته یا گسسته داشته‌باشند و ممکن‌است آنالوگ‌، دیجیتال یا هر‌دو باشند.

از حلقه های بازخورد می‌توان برای افزایش یا کاهش عملکرد یک سیستم خاص با ایجاد ثبات و کنترل بهتر استفاده‌کرد.

کنترل فرایندی است که متغیر سیستم را به یک مقدار خاص که ارزش مرجع نامیده می شود پایبند است.

در آموزش بعدی در‌مورد سیستم‌های الکترونیکی، ما به انواع سیستم‌های کنترل الکترونیکی به نام یک سیستم حلقه باز نگاه خواهیم‌کرد.

که یک سیگنال خروجی، y (t)را براساس مقدار‌ورودی فعلی خود ایجاد‌می‌کند و آن‌را بر مبنای شرایط خروجی آن نظارت نمی‌کند.

 

منبع : کلیک کنید