سیستم های بازخورد

در سیستم های بازخورد، تمام یا بخشی از سیگنال خروجی مثبت یا منفی به ورودی بازگردانده می شود.

سیستم های بازخورد سیگنال ها را پردازش می کنند و بنابراین پردازنده های سیگنال هستند.

مدارهای کنترل بازخورد ساده آنالوگ را می توان با استفاده از اجزای جداگانه یا مجزا مانند:

• ترانزیستورها
• مقاومتها
• خازنها و غیره

یا با استفاده از مدارهای یکپارچه و مبتنی بر ریزپردازنده (IC) برای پیچیده تر کردن سیستمهای بازخورد دیجیتال ایجاد کرد.

همانطور که دیدیم ، سیستم های حلقه باز همان سیستم باز هستند و هیچ تلاشی برای جبران تغییرات در شرایط مدار یا تغییرات در شرایط بار به دلیل تغییرات در پارامترهای مدار ، مانند افزایش و ثبات ، دما ، ولتاژ تغذیه انجام نمی شود. تغییرات یا اختلالات خارجی.

اما اثرات این تغییرات “حلقه باز” را می‌توان با معرفی بازخورد حذف یا حداقل به میزان قابل توجهی کاهش‌داد.

سیستم بازخورد سیستمی است که در آن سیگنال خروجی نمونه برداری شده و سپس مجدداً به ورودی داده می شود تا یک سیگنال خطا ایجاد کند که سیستم را هدایت می کند.

در آموزش قبلی در مورد سیستم های حلقه بسته ، دیدیم که به طور کلی:

بازخورد شامل یک زیر مدار است که به بخشی از سیگنال خروجی از سیستم اجازه می دهد تا سیگنال ورودی موثر را به گونه ای تغییر دهد که پاسخ ایجاد کند.

که می تواند تفاوت قابل توجهی با پاسخ تولید شده در غیاب چنین بازخوردی داشته باشد.

سیستمهای بازخورد بسیار مفید بوده و در مدارهای تقویت‌کننده، اسیلاتورها، سیستمهای کنترل فرآیند و سایر انواع سیستمهای الکترونیکی بسیار کاربرد‌دارند.

اما برای اینکه بازخورد یک ابزار موثر‌باشد باید کنترل‌شود زیرا یک سیستم کنترل‌نشده یا نوسان می‌کند یا از کار می‌افتد.

مدل اساسی یک سیستم بازخورد به شرح زیر است:

مدل بلوک دیاگرام  feedback system

این حلقه بازخورد اصلی سنجش ، کنترل و فعال سازی ، مفهوم اصلی سیستم کنترل بازخورد است.

چندین دلیل خوب وجود دارد که چرا بازخورد در مدارهای الکترونیکی اعمال می شود و مورد استفاده قرار می گیرد:

• ویژگی های مدار مانند افزایش و پاسخ سیستم ها را می توان به طور دقیق کنترل کرد.
• ویژگی های مدار را می توان مستقل از شرایط کاری مانند ولتاژ منبع تغذیه یا تغییرات دما کرد.
• اعوجاج سیگنال به دلیل ماهیت غیر خطی اجزای مورد استفاده را می توان تا حد زیادی کاهش داد.
• فرکانس پاسخ، افزایش و پهنای باند یک مدار یا سیستم را می‌توان به راحتی در محدوده های کوچک کنترل کرد.

در حالی که انواع مختلفی از سیستم های کنترل وجود دارد.

تنها دو نوع اصلی از بازخورد وجود دارد: بازخورد منفی و بازخورد مثبت.

سیستم های بازخورد مثبت

در یک”سیستم کنترل بازخورد مثبت”، نقطه تنظیم و مقادیر‌خروجی توسط کنترل‌کننده به هم اضافه می‌شوند زیرا بازخورد”در فاز”با ورودی است.

تأثیر بازخورد مثبت (یا بازآفرینی) این است که سیستم را “افزایش” دهد.

یعنی سود کلی با بازخورد مثبت اعمال شده بیشتر از سود بدون بازخورده.

به عنوان مثال ، اگر کسی از شما تعریف می کند یا در مورد چیزی به شما بازخورد مثبتی می دهد ، شما از خودتان خوشحال هستید و سرشار از انرژی هستید ، احساس مثبت تری دارید.

با این حال، در سیستم‌های الکترونیکی و کنترل تا حد زیادی تعریف و بازخورد مثبت می‌تواند باعث افزایش کارایی سیستم شود که منجر به واکنش‌های مدار نوسان شده به هنگام افزایش اندازه سیگنال ورودی موثر می‌شود.

یک مثال از سیستم های بازخورد مثبت می تواند تقویت کننده الکترونیکی مبتنی بر تقویت کننده عملیاتی یا همانطور که در تصویر میبینید،باشد.

سیستم بازخورد مثبت

کنترل بازخورد مثبت op-amp با اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout به ترمینال ورودی غیر معکوس ( +) از طریق مقاومت بازخورد ، RF حاصل می شود.

اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد ، op-amp این سیگنال مثبت را تقویت می کند و خروجی مثبت تر می‌شود.

بخشی از این ولتاژ خروجی توسط شبکه بازخورد به ورودی بازگردانده می شود.

بنابراین ولتاژ ورودی مثبت تر می شود و باعث ایجاد ولتاژ خروجی بزرگتر و غیره می شود.

سرانجام خروجی در ریل عرضه مثبت اشباع می شود.

به همین‌ترتیب‌، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد‌، عکس آن اتفاق می‌افتد و op-amp در ریل منبع منفی اشباع می‌شود.

سپس می بینیم که بازخورد مثبت به مدار اجازه نمی دهد تا به عنوان تقویت کننده عمل کند.

زیرا ولتاژ خروجی به سرعت در یک ریل منبع تغذیه یا در دیگری اشباع می شود.

زیرا با حلقه های بازخورد مثبت “بیشتر به بیشتر منجر می شود” و “کمتر به کمتر منجر می شود”.

سپس اگر افزایش حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد، تابع انتقال به صورت زیر خواهد بود:

 Av = G / (1 – GH)

توجه داشته باشید که اگر GH = 1 سیستم Av = بی نهایت را بدست آورد و مدار شروع به خود نوسان می کند ، پس از آن هیچ سیگنال ورودی برای حفظ نوسانات مورد نیاز نیست ، که اگر می خواهید نوسان ساز بسازید مفید است.

اگرچه اغلب نامطلوب تلقی‌میشه، اما در الکترونیک برای بدست آوردن پاسخ سوئیچینگ بسیار سریع به شرایط یا سیگنال استفاده میکنن.

یکی از مثالهای استفاده از بازخورد مثبت ، هیسترزیس است که در آن یک دستگاه یا سیستم منطقی وضعیت معینی را حفظ می کند تا زمانی که برخی ورودی ها از یک آستانه از پیش تعیین شده عبور کنند.

این نوع رفتار”دو پایداری” نامیده میشه و اغلب با دروازه‌های منطقی و دستگاههای سوئیچینگ دیجیتال مانند مولتی ویبراتور همراهه.

ما دیدیم که بازخورد مثبت یا احیا کننده سود و احتمال بی ثباتی را در یک سیستم افزایش میده که ممکنه منجر به خود نوسان بشه و به همین ترتیب، بازخورد مثبت به طور گسترده ای در مدارهای نوسانی مانند مدارهای نوسان ساز و زمان بندی استفاده می شود.

سیستم فیدبک منفی (Negative Feedback Systems)

درون “سیستم کنترل بازخورد منفی” ، نقطه تعیین شده و مقادیر خروجی از هم کم میشن چون بازخورد با ورودی اصلی “خارج از فاز” هست.

تأثیر بازخورد منفی (یا دژنراتیو) “کاهش” سود است.

به عنوان مثال ، اگر کسی از شما انتقاد کند یا در مورد چیزی به شما بازخورد منفی دهد ، شما از خودتان ناراضی هستید و بنابراین انرژی ندارید ، احساس مثبت کمتری دارید.

از آنجا که بازخورد منفی پاسخهای مدار پایدار تولید می کند ، ثبات را بهبود می بخشد و پهنای باند عملکرد یک سیستم معین را افزایش می دهد ، اکثر سیستم های کنترل و بازخورد دژنراتیو هستند و اثرات سود را کاهش می دهند.

نمونه‌ای از سیستم فیدبک منفی، تقویت کننده الکترونیکی است که بر اساس تقویت‌کننده عملیاتی مطابق شکل نمایش میدن.

سیستم feedback منفی

کنترل بازخورد منفی تقویت کننده با اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout به ترمینال ورودی معکوس ( -) از طریق مقاومت بازخورد ، Rf حاصل می شود.

اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد ، op-amp این سیگنال مثبت را تقویت می کند.

اما چون به ورودی معکوس تقویت کننده متصل است ، و خروجی منفی تر می شود.

بخشی از این ولتاژ خروجی توسط شبکه بازخورد Rf به ورودی بازگردانده می شود.

بنابراین ولتاژ ورودی توسط سیگنال بازخورد منفی کاهش می یابد و باعث ایجاد ولتاژ خروجی حتی کوچکتر و غیره می‌شود.

سرانجام خروجی کاهش می یابد و با مقداری که توسط نسبت افزایش Rf -Rin تعیین می شود تثبیت می شود.

به همین ترتیب ، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد ، عکس آن اتفاق می افتد و خروجی op-amp مثبت (معکوس) می شود که به سیگنال ورودی منفی می افزاید.

سپس می‌بینیم که بازخورد‌منفی به مدار اجازه می‌دهد تا به عنوان تقویت‌کننده عمل‌کند، تا زمانی که خروجی در محدوده اشباع‌باشد.

بنابراین ما می توانیم مشاهده کنیم که ولتاژ خروجی با بازخورد تثبیت و کنترل می شود ، زیرا با حلقه های بازخورد منفی “بیشتر به کمتر منجر می شود” و “کمتر به بیشتر منجر می شود”.

سپس اگر افزایش حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد ، تابع انتقال به صورت زیر خواهد بود:

 Av = G / (1 + GH)

استفاده از بازخورد منفی در تقویت کننده ها و سیستم های کنترل فرآیند بسیار گسترده است زیرا به عنوان یک قاعده ، سیستم های بازخورد منفی از سیستم های بازخورد مثبت پایدارتر هستند و یک سیستم بازخورد منفی پایدار است اگر به تنهایی در هیچ فرکانسی نوسان نکند ، مگر یک وضعیت مدار معین.

مزیت دیگر  اینکه بازخورد منفی همچنین سیستم‌های کنترل را در برابر تغییرات تصادفی در مقادیر و ورودی اجزا مصون می‌کند.

البته هیچ چیز رایگان نیست ، بنابراین باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد زیرا بازخورد منفی ویژگی های عملکردی یک سیستم معین را به طور قابل توجهی تغییر می دهد.

طبقه بندی سیستم های بازخورد

تا کنون ما روشی را مشاهده می کنیم که در آن سیگنال خروجی به پایانه ورودی “بازگردانده می شود” ، و برای سیستم های بازخورد این می تواند از هر دو ، بازخورد مثبت یا بازخورد منفی باشد.

اما نحوه اندازه‌گیری و ورود سیگنال خروجی به مدار ورودی می‌تواند بسیار‌متفاوت‌باشد که منجر به چهار طبقه‌بندی بازخورد اساسی می‌شود.

بر اساس مقدار ورودی که تقویت می شود و بر اساس شرایط خروجی مورد نظر ، متغیرهای ورودی و خروجی را می توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل کرد.

در نتیجه ، چهار طبقه بندی اصلی سیستم بازخورد تک حلقه وجود دارد که در آنها سیگنال خروجی به ورودی بازگردانده می شود و اینها عبارتند از:

• تنظیمات سری-شنت – ولتاژ IN و OUT یا منبع ولتاژ کنترل شده ولتاژ (VCVS).
• پیکربندی Shunt-Shunt-جریان ورودی و ولتاژ خروجی یا منبع ولتاژ کنترل شده فعلی (CCVS).
• تنظیمات سری-سری-ولتاژ IN و OUT یا منبع جریان کنترل شده ولتاژ (VCCS).
• پیکربندی سری Shunt-جریان در داخل و خروجی یا منبع کنترل جریان فعلی (CCCS).

سیستم بازخورد سری-شانت

Series-Shunt Feedback که به بازخورد ولتاژ سری نیز معروف است.

بعنوان یک سیستم بازخورد کنترل شده با ولتاژ عمل می‌کند.

ولتاژ خطا که از شبکه بازخورد بازگردانده می شود به صورت سری با ورودی است.

ولتاژی که از خروجی تغذیه می‌شود متناسب با ولتاژ خروجی است، Vo به صورت موازی است، یا شنت متصل است.

Series-Shunt Feedback Systems

برای اتصال سری شانت ، پیکربندی به عنوان ولتاژ خروجی ، Vout به ولتاژ ورودی ، Vin تعریف می شود.

بیشتر مدارهای تقویت کننده معکوس و غیر معکوس با بازخورد سری متوالی عمل می کنند که به عنوان “تقویت کننده ولتاژ” شناخته می شود.

بعنوان تقویت کننده ولتاژ مقاومت ایده آل ورودی، Rin بسیار بزرگ است و مقاومت خروجی ایده‌آل، Rout بسیار کوچک است.

سپس “پیکربندی بازخورد سری-شانت” به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ واقعی عمل می کند.

زیرا سیگنال ورودی یک ولتاژ است و سیگنال خروجی یک ولتاژ است ، بنابراین افزایش انتقال به صورت زیر است:

 Av = Vout ÷ Vin

توجه داشته باشید که این مقدار بدون ابعاد است زیرا واحدهای آن ولت/ولت است.

سیستم های بازخورد سری شانت

بازخورد سری شانت، همچنین به عنوان بازخورد فعلی شنت شناخته می‌شود،

در نقش یک سیستم فیدبک کنترل شده فعلی عمل می‌کنه.

سیگنال بازخورد متناسب با جریان خروجی است ، Io در بار جریان دارد. سیگنال بازخورد به موازات تغذیه می شود یا با ورودی مطابق شکل شنت می شود.

سیستم بازخورد سری شانت

برای اتصال سری شانت ، پیکربندی به عنوان جریان خروجی ، Iout به جریان ورودی ، Iin تعریف شده است.

در‌پیکربندی بازخورد سری شانت، سیگنال تغذیه‌شده موازی با سیگنال ورودی است و به این ترتیب جریانها هستند‌، نه ولتاژهایی‌که اضافه‌می‌کنند.

این اتصال بازخورد شنت موازی بطور معمول بر ولتاژ سیستم تأثیر نمی‌گذارد، زیرا برای خروجی ولتاژ ورودی ولتاژ مورد‌نیاز است.

همچنین اتصال سری در خروجی مقاومت خروجی را افزایش می دهد ، Rout در حالی که اتصال شانت در ورودی مقاومت ورودی را کاهش می دهد ، Rin.

سپس “پیکربندی بازخورد سری شانت” به عنوان یک تقویت کننده جریان واقعی عمل می کند زیرا سیگنال ورودی یک جریان است و سیگنال خروجی یک جریان است ، بنابراین سود انتقال به صورت زیر است: Ai = Iout ÷ Iin. توجه داشته باشید که این مقدار بدون ابعاد است زیرا واحدهای آن آمپر/آمپر هستند.

سیستم بازخورد سری-سری

سیستم های بازخورد سری سری ، که به عنوان بازخورد جریان سری نیز شناخته می شوند ،

به عنوان  feedback system قابل کنترل با جریان ولتاژ عمل میکنه.

در پیکربندی فعلی سری، سیگنال خطای بازخورد به صورت سری با ورودی است و متناسب با جریان بار، Iout است.

در واقع ، این نوع بازخورد سیگنال فعلی را به ولتاژی تبدیل می کند که در واقع تغذیه می شود و این ولتاژ است که از ورودی کم می شود.

سیستم بازخورد سری-سری

برای اتصال سری-سری:

پیکربندی به عنوان جریان خروجی ، Iout به ولتاژ ورودی ، Vin تعریف شده.

از آنجا که جریان خروجی ، خروجی اتصال سری به عنوان ولتاژ تغذیه می شود ، این امر امپدانس ورودی و خروجی سیستم را افزایش می دهد.

بنابراین ، مدار به عنوان تقویت کننده رسانایی با مقاومت ورودی ایده آل ، Rin بسیار بزرگ و مقاومت خروجی ایده آل ، Rout نیز بسیار بزرگ عمل می کند.

سپس “پیکربندی بازخورد سری-سری” به عنوان یک سیستم تقویت کننده نوع رسانایی عمل می کند زیرا سیگنال ورودی یک ولتاژ و سیگنال خروجی یک جریان است.

سپس برای یک مدار بازخورد سری سری ، سود انتقال به صورت زیر است:

 Gm = Iout Vin

سیستم های بازخورد شنت-شانت

سیستم های بازخورد شنت-شانت ، که به عنوان بازخورد ولتاژ شانت نیز شناخته می شود ،

مثل یه feedback system کنترل شده با ولتاژ جریان عمل میکنه.

در تنظیمات فیدبک شنت-شنت، سیگنال تغذیه شده موازی با سیگنال ورودیه.

ولتاژ خروجی حس می شود و جریان از جریان ورودی در شانت کم می شود و به همین ترتیب جریان آن است ، نه ولتاژهایی که کم می کنند.

سیستم های بازخورد شنت-شنت

جهت اتصال شنت – شنت ، تنظیمات به شکل ولتاژ خروجی ، Vout به جریان ورودی ، Iin معرفی شده.

همانطور که ولتاژ خروجی به عنوان یک جریان به یک پورت ورودی جریان متصل می شود ، اتصالات شنت در هر دو پایانه ورودی و خروجی امپدانس ورودی و خروجی را کاهش می دهد.

بنابراین سیستم به عنوان یک سیستم مقاومت در برابر بالا با مقاومت ورودی ایده آل ، Rin بسیار کوچک و مقاومت خروجی ایده آل ، Rout نیز بسیار کوچک عمل می کند.

سپس پیکربندی ولتاژ شنت به عنوان تقویت کننده ولتاژ نوع مقاومتی عمل می کند.

زیرا سیگنال ورودی یک جریانه و سیگنال خروجی یک ولتاژ، بنابراین افزایش انتقال به صورت:

Rm = Vout ÷ Iin 

خلاصه سیستم های بازخورد

ما دیدیم که یک سیستم فیدبک سیستمیه که در اون سیگنال خروجی نمونه برداری شده و سپس به ورودی برمیگرده تا یک سیگنال خطا ایجاد کنه که سیستم را هدایت میکنه و بسته به نوع بازخورد مورد استفاده، سیگنال فیدبک که با سیگنال ورودی سیستمها می تواند ولتاژ یا جریان باشد.

بازخورد همیشه عملکرد یک‌سیستم را تغییر می‌دهد و ترتیبات بازخورد می‌تواند از نوع سیستم‌بازخورد مثبت(احیا کننده) یا منفی (دژنراتیو) باشد.

اگر حلقه بازخورد در اطراف سیستم یک حلقه سود ایجاد کند که منفی است ، میشه گفت که بازخورد منفی یا دژنراتیو است و اصلی ترین بازخورد منفی در کاهش سود سیستم ها است.

اثر بازخورد مثبت افزایش سود است که می‌تواند باعث بی‌ثباتی و نوسان سیستم به ویژه اگر GH = -1 شود.

در نمودارهای بلوک بالا ، متغیرهای ورودی و خروجی را می توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل کرد و بدین ترتیب چهار ترکیب ورودی و خروجی وجود

دارد که انواع احتمالی بازخورد را نشان می دهد ، یعنی: بازخورد ولتاژ سری ، بازخورد ولتاژ شنت ، سری بازخورد جاری و شنت بازخورد جاری.

نام این انواع مختلف سیستم های بازخورد از روشی است که شبکه بازخورد بین مراحل ورودی و خروجی به صورت موازی (شانت) یا سری متصل می شود.

در آموزش بعدی در مورد سیستم های بازخورد ، ما به بررسی اثرات بازخورد منفی بر روی یک سیستم می پردازیم و می بینیم که چگونه می توان از آن برای بهبود ثبات سیستم های کنترل استفاده کرد.

 

 

 

منبع : سایت