سیستم های الکترونیکی 

یک سیستم الکترونیکی یک اتصال داخلی فیزیکی از اجزا یا بخش هایی است که حجمی از اطلاعات مختلف را با هم جمع می‌کند.

این سیستم کار را با کمک قطعات ورودی مانند سنسورها که به طریقی به این اطلاعات پاسخ می‌دهند انجام می‌دهد و سپس انرژی الکتریکی را در قالب یک عمل خروجی  برای کنترل یک فرایند فیزیکی یا انجام بعضی انواع عملیات ریاضی روی یک سیگنال بکار می‌برد.

سیستم های الکترونیکی

سیستم های کنترل الکترونیکی می‌توانند به عنوان یک فرایندی که یک سیگنال را به دیگری انتقال می‌دهد و درنتیجه پاسخ مطلوب سیستم را دریافت می‌کند، در نظر گرفت. سپس می‌توانیم بگوییم که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک فرایند و یک خروجی با متغیر ورودی برای سیستم  و یک متغیر خروجی از سیستم که هر دو سیگنال هستند، است.

روشهای زیادی برای نشان دادن یک سیستم از قبیل : ریاضی، توصیفی، تصویری یا شماتیک وجود دارد. سیستم های الکترونیکی عموما بصورت شماتیکی بصورت سری از بلوک های بهم پیوسته و سیگنالها نشان داده می‌شوند بطوریکه هر بلوک گروه متشکل از ورودی و خروجی خود را دارد. به عنوان نتیجه، حتی سیستم های کنترل الکترونیکی پیچیده می‌توانند توسط یک ترکیب از بلوک های ساده نشان داده شوند، بطوریکه هر بلوک شامل یا نشاندهنده یک جز مستقل یا یک زیر سیستم کامل است. نمایش یک سیستم الکترونیکی یا سیستم کنترل فرایند بصورت تعداد بلوک های بهم متصل یا جعبه ها عموما بصورت ” نمایش نمودار بلوکی” شناخته می‌شود.

نمودار بلوکی سیستم الکترونیکی ساده

سیستم های الکترونیکی دارای ورودی ها و خروجی هایی هستند که خروجی یا خروجی ها توسط پردازش ورودی ها بوجود آمده اند. همچنین، سیگنالهای خروجی ممکن است باعث شود تا فرایند تغییر کند یا ممکن است خودش باعث تغییر عملیات سیستم شود. درنتیجه ورودی ها برای یک سیستم ” علت” تغییر هستند، در حالیکه فعالیت حاصل که در خروجی سیستم به این دلیل که نشان داده شد اتفاق می‌افتد، “تاثیر” نامیده شده و تاثیر نتیجه به این دلیل است.

در بیان دیگر، یک سیستم الکترونیکی ماهیتا می‌تواند بصورت ” علیت ” طبقه بندی شود زیرا که یک رابطه مستقیم بین ورودی و خروجی اش وجود دارد. سیستم های الکترونیکی که نظریه کنترل را آنالیز و پردازش می‌کنند عموما بر پایه این علت و تاثیر آنالیز می‌شوند.

در نتیجه به عنوان یک مثال، در یک سیستم صوتی، یک میکروفون (دستگاه ورودی) باعث می‌شود تا موج های صوتی به سیگنالهای الکتریکی تبدیل شوند تا توسط تقویت کننده تقویت شوند (فرایند) و یک بلندگو (دستگاه خروجی) موج های صوتی را بصورت یک تاثیری که توسط سیگنال های الکتریکی تقویت کننده انجام شده، تولید می‌کند.

اما یک سیستم الکترونیکی نیاز به اینکه  یک عملیات ساده یا تنها باشد، ندارد. این همچنین می تواند یک اتصال چندین زیرسیستم باشد که همه در یک سیستم کلی مشترک با هم کار می کنند.

به عنوان مثال سیستم صوتی ما می تواند شامل اتصال یک دستگاه پخش CD، یا دستگاه پخش DVD، یک دستگاه پخش کننده MP3 یا یک گیرنده رادیویی باشد که همه ورودی های چندگانه به همان تقویت کننده هستند که به نوبه خود یک یا چند مجموعه از پخش یا سینمای خانگی با بلندگو ها  را هدایت می کند.

اما یک سیستم الکترونیکی فقط نمی تواند مجموعه ای از ورودی ها و خروجی ها باشد، آن باید “کاری را انجام دهد”، حتی اگر فقط کارش نمایش یک سوئیچ یا “روشن” کردن یک چراغ است. ما می دانیم که سنسورها دستگاههای ورودی هستند که آشکار سازی می‌کنند یا اندازه گیری های دنیای واقعی را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کنند که بعدا می توانند پردازش شوند. این سیگنال های الکتریکی می توانند به صورت ولتاژ یا جریان درون یک مدار باشند. دستگاه مخالف یا خروجی فعال کننده نامیده می شود، که سیگنال پردازش شده را به برخی از فعالیت ها یا عملکردها معمولاً در شکل حرکت مکانیکی تبدیل می کند.

انواع سیستم الکترونیکی

سیستم های الکترونیکی در سیگنالهای زمان پیوسته CT) ¹ ) یا سیگنالهای زمان گسسته DT)²) عمل می‌کنند. سیستم زمان پیوسته سیستمی است که سیگنالهای ورودی در طول یک زمان پیوسته تعریف شده اند، مانند یک سیگنال آنالوگ که در طول زمان “ادامه دارد” و یک سیگنال زمان پیوسته را تولید می‌کند.

اما یک سیگنال زمان پیوسته همچنین می‌تواند در اندازه تغییر کند یا در ماهیت با دوره تناوب Tمتناوب باشد. به عنوان نتیجه، سیستم های الکترونیکی زمان پیوسته  تمایل دارند تا سیستم های آنالوگ خالص  باشند که یک عملیات خطی را با سیگنالهای ورودی و خروجی شان در طول یک بازه زمانی، تولید کنند.

برای مثال، دمای یک اتاق می‌تواند به عنوان یک سیگنال زمان پیوسته  که می‌تواند بین دو مقدار یا نقاط تنظیمی، به عنوان مثال از سرما به گرما یا از دوشنبه تا جمعه، اندازه گیری شوند.  می‌توانیم یک سیگنال زمانی پیوسته را با استفاده از متغیر مستقل  برای زمان t نشان دهیم بطوریکه (x(t  سیگنال ورودی و (y(t سیگنال خروجی را در بازه زمانی t نشان می‌دهد.

عموما، اکثر سیگنالهایی که در دنیای واقعی بکار می‌روند تمایل دارند تا سیگنال های زمان پیوسته باشند. برای مثال، ولتاژ، جریان، دما، فشار، سرعت و غیره.

در سمت دیگر، یک سیستم زمان گسسته سیستمی است که سیگنالهای ورودی پیوسته نیستند اما یک دنباله یا سری از مقادیر سیگنال هستند که در نقاط زمانی “گسسته” تعریف شده اند. این نتایج در خروجی زمان گسسته عموما به صورت یک دنباله از مقادیر یا اعداد نشان داده شده است.

معمولاً یک سیگنال گسسته فقط در فواصل گسسته، مقادیر یا نقاط هم فاصله در زمان مشخص می شوند. به عنوان مثال، دمای اتاق در 1 بعد از ظهر، در 2 بعد از ظهر، در 3 بعد از ظهر و دوباره در 4 بعد از ظهر بدون توجه به دمای واقعی اتاق در بین این نقاط مثلاً، 1:30 بعد از ظهر یا 2:45 بعد از ظهر، اندازه گیری می شود.

اگرچه، یک سیگنال زمان پیوسته (x (t را می توان به صورت یک مجموعه گسسته  از سیگنال های تنها در فواصل گسسته یا “لحظه هایی در زمان” نشان داد. سیگنال های گسسته نسبت به زمان اندازه گیری نمی شوند، اما در عوض در فواصل زمانی گسسته ترسیم می شوند، بطوریکه n فاصله نمونه برداری است. در نتیجه سیگنال های زمان گسسته معمولاً به صورت (x (n نامگذرای شده اند که ورودی را نشان می‌دهد و (y (n نشاندهنده خروجی است.

سپس می توانیم سیگنال های ورودی و خروجی یک سیستم را به ترتیب بصورت  x و y با توجه به سیگنال نشان دهیم، یا خود سیگنال ها توسط متغیر t  نشان داده می شوند، که معمولاً نشاندهنده زمان برای یک سیستم پیوسته هستند و متغیر n که یک عدد صحیح را برای یک سیستم گسسته نشان می‌دهد، که  در زیر 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 آنها می‌توانند با یکدیگر بصورت سری یا ترکیب موازی برای تشکیل سیستمهای بسیار بزرگتر ترکیب شوند. بسیاری از سیستمهای واقعی بزرگتر با استفاده از اتصال چندین زیر سیستم ساخته شده اند و می توانیم با استفاده از نمودارهای نمودار بلوکی برای نشان دادن هر زیر سیستم، یک نمایش گرافیکی از کل سیستم که مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد را  ایجاد کنیم.

هنگامی که زیر سیستم ها برای تشکیل مدار سری ترکیب می شوند، خروجی کلی در (y (t برابر با ضرب سیگنال ورودی (x (t خواهد بود که همانطور که دیده می‌شود زیر سیستم ها با یکدیگر سری شده اند.

سیستم الکترونیکی سری

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

سپس سیگنال ورودی اصلی از طریق یک سیستم متصل شده صورت سری، سری می‌شود،  بنابراین برای دو زیر سیستم متصل شده سری، خروجی تنهای معادل برابر با ضرب سیستم ها خواهد بود، یعنی:

(y (t) = G₁ (s) ×  G₂ (s. بطوریکه G نمایانگر تابع 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 آن اشاره دارد و تعریف می شود و از این رو رفتار سیستم را توصیف می کند.

همچنین، برای یک سیستم وصل شده سری، ترتیبی که در آن عملیات انجام می‌شود نسبت به سیگنالهای ورودی و خروجی  اهمیتی ندارد، بطوریکه: (G₁ (s) ×  G₂(s برابر با   (G₂ (s) × G₁(s است. یک نمونه از یک  مدار متصل سری ساده می تواند یک میکروفون واحد باشد که یک تقویت کننده و در ادامه یک بلندگو  را تغذیه می کند.

سیستم الکترونیکی موازی

برای یک سیستم زمان پیوسته متصل بصورت موازی، هر زیر سیستم سیگنال ورودی یکسان را دریافت می کند، و خروجی های مستقل آنها با یکدیگر جمع می شوند تا یک خروجی کلی  y (t) را تولید کنند. سپس برای دو زیر سیستم متصل بصورت موازی، یک خروجی واحد معادل جمع دو ورودی مستقل یعنی (y (t) = G₁ (s) + G₂ (s خواهد بود.

مثال برای یک سیستم متصل موازی می‌تواند چندین میکروفن که به یک میز جمعی وارد شده و به نوبه خود تقویت کننده و سیستم بلندگو را تغذیه می‌کند، باشد.

سیستم های فیدبک الکترونیکی

یکی دیگر از اتصالات  مهم سیستمها که بطور گسترده در سیستمهای کنترل مورد استفاده قرار می گیرد، “پیکربندی فیدبک” است. در سیستم های فیدبک، بخشی از سیگنال خروجی “برگشت داده می شود” که یا  با سیگنال ورودی اصلی جمع و یا از آن تفریق می شود. نتیجه این است که خروجی سیستم به طور پیوسته در حال تغییر یا به روزرسانی ورودی آن با هدف اصلاح پاسخ سیستم برای بهبود ثبات است. یک سیستم فیدبک معمولاً به عنوان یک “سیستم حلقه بسته” نیز گفته می شود که نشان داده شده است.

سیستم فیدبک حلقه بسته

سیستم های فیدبک در اکثر طراحی های سیستم الکترونیکی تجربی برای کمک به  ثبات سیستم و افزایش کنترل آن بکار رفته اند.  اگر حلقه فیدبک مقدار سیگنال اصلی را کاهش دهد، حلقه فیدبک به عنوان ” فیدبک منفی” شناخته می شود. اگر حلقه فیدبک به مقدار سیگنال اصلی اضافه شود، حلقه فیدبک به عنوان ” فیدبک مثبت” شناخته می شود.

نمونه ای از یک سیستم فیدبک ساده می تواند یک سیستم گرمایشی کنترل شده با ترموستات در خانه باشد. اگر خانه خیلی گرم باشد، حلقه فیدبک سیستم گرمایش را به “خاموش” تغییر می‌دهد تا خنک تر شود. اگر خانه خیلی سرد باشد، حلقه فیدبک سیستم گرمایش را به “روشن” تغییر می‌دهد تا آن گرمتر شود. در این مثال، سیستم شامل سیستم گرمایش، دمای هوا و حلقه فیدبک کنترل شده با ترموستات می باشد.

تابع انتقال سیستم ها

هر زیر سیستم می تواند به عنوان یک بلوک ساده با ورودی و خروجی همانطور که نشان داده شده است نمایش داده شود. به طور کلی، ورودی به صورت  θi و خروجی به صورت θo تعیین می شود. نسبت خروجی به ورودی، بهره (G) زیر سیستم را نشان می دهد و بنابراین  بصورت G = θo / θi تعریف می شود.

در این حالت  G نشان دهنده تابع انتقال سیستم یا زیر سیستم است. هنگام بحث در مورد سیستم های الکترونیکی از نظر تابع انتقال آنها، عملگر پیچیده s استفاده می‌شود و  سپس معادله بهره به صورت (G (s) = θo (s) / θi (s بازنویسی می شود.

خلاصه سیستم الکترونیکی

دیدیم که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک پروسه، یک خروجی و احتمالاً فیدبک است. سیستمهای الکترونیکی می‌توانند  با استفاده از نمودارهای بلوک بهم پیوسته نشان داده شوند که خطوط بین هر بلوک یا زیر سیستم، هم جریان و هم جهت یک سیگنال را درون سیستم نشان می دهد.

نمودارهای بلوک نیازی به نمایش یک سیستم واحد ساده ندارند بلکه می توانند سیستمهای بسیار پیچیده ای که از بسیاری از زیر سیستم های بهم پیوسته ساخته شده اند را نشان دهند. این زیر سیستم ها با توجه به جریان سیگنال ها می توانند به صورت سری، موازی یا ترکیبی از هر دو به یکدیگر متصل شوند.

همچنین دیدیم که سیگنال ها و سیستم های الکترونیکی می توانند از نظر ماهیت گسسته در زمان یا پیوسته در زمان  باشند و ممکن است آنالوگ، دیجیتال یا هر دو باشند. از حلقه های فیدبک می توان برای افزایش یا کاهش عملکرد سیستم خاص با فراهم آوردن پایداری و کنترل بهتر استفاده کرد. کنترل فرایند ساخت یک متغیر سیستم پایبند به یک مقدار خاص به نام مقدار مرجع است.

در آموزش بعدی در مورد سیستم های الکترونیکی، بر انواع مختلفی از سیستم کنترل الکترونیکی به نام سیستم حلقه باز که یک سیگنال خروجی  (y (t را بر اساس مقادیر ورودی فعلی آن تولید می کند و به این ترتیب خروجی آن را نشان نمی‌دهد  یا تنظیماتی را بر اساس شرایط خروجی آن انجام می‌دهد، خواهیم پرداخت.

1. continuous-time
2.  discrete-time