راهنمای جامع سیستم های فیدبک 

در سیستم های فیدبک تمام یا بخشی از سیگنال خروجی هم مثبت یا منفی به ورودی، فیدبک شده‌اند. سیستم های فیدبک ، سیگنال‌ها را پردازش می‌کنند و به همین ترتیب پردازنده‌های سیگنال هستند. بخش پردازش یک سیستم فیدبک ممکن است الکتریکی یا الکترونیکی باشد، که دارای رنج مدارهای بسیار ساده تا بسیار پیچیده است.

سیستم کنترل فیدبک

سیستم فیدبک سیستمی است که در آن سیگنال خروجی نمونه‌برداری می‌شود و سپس به ورودی تغذیه می‌شود تا سیگنال خطایی را ایجاد کند که سیستم را راه‌اندازی می‌کند. در آموزش قبلی در مورد سیستم‌های حلقه بسته، دیدیم که به طور کلی فیدبک از یک زیر مدار تشکیل شده است که به بخشی از سیگنال خروجی از یک سیستم اجازه می‌دهد تا سیگنال ورودی مؤثر را به گونه‌ای تغییر دهد که بتواند پاسخی را ایجاد کند که می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای از پاسخ ایجاد شده در غیاب چنین فیدبکی متفاوت باشد.

مدارهای کنترل فیدبک ساده آنالوگ را می‌توان با استفاده از عناصر مستقل یا گسسته مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها و خازن‌ها و غیره یا با استفاده از مدارهای مبتنی بر ریزپردازنده و مجتمع (ICها) برای ایجاد سیستم های فیدبک دیجیتال پیچیده‌تر ساخت.

همانطور که مشاهده کردیم، سیستم های حلقه باز بصورت انتها باز هستند و هیچ تلاشی برای جبران تغییرات در شرایط مدار یا تغییر در شرایط بار به دلیل تغییر در پارامترهای مدار مانند بهره و ثبات، دما، ولتاژ تغذیه و / یا اختلالات بیرونی صورت نمی‌گیرد. اما اثرات این تغییرات “حلقه باز” با معرفی فیدبک می‌تواند از بین برود یا حداقل بطور قابل توجهی کاهش یابد.

سیستم‌های فیدبک در مدارهای تقویت کننده، نوسان سازها، سیستم‌های کنترل فرآیند و همچنین انواع دیگر سیستم‌های الکترونیکی بسیار مفید و کاربردی هستند. اما برای اینکه فیدبک ابزاری مؤثر باشد، باید به عنوان یک سیستم کنترل نشده کنترل شود که نوسان خواهد کرد یا از عمل باز خواهد ماند. مدل اصلی سیستم فیدبک به شرح زیر است:

مدل نمودار بلوک سیستم فیدبک

حلقه فیدبک پایه سنجش، کنترل و عملگر مفهوم اصلی در کنار سیستم کنترل فیدبک است و دلایل خوب زیادی وجود دارد که چرا فیدبک اعمال و در مدارات الکترونیکی استفاده شده است:

ویژگی‌های مدار مانند بهره و پاسخ سیستم‌ها بصورت دقیق می‌تواند کنترل شود.

ویژگی‌های مدار را می‌توان مستقل از شرایط عملیاتی از قبیل ولتاژ منبع تغذیه یا تغییر دما دانست.

اعوجاج سیگنال به دلیل ماهیت غیرخطی اجزای مورد استفاده می‌تواند بسیار کاهش یابد.

پاسخ فرکانسی، بهره و پهنای باند یک مدار یا سیستم را می‌توان به راحتی در حد محدود کنترل کرد.

در حالی که انواع مختلفی از سیستم های کنترل وجود دارد، فقط دو نوع کنترل فیدبک وجود دارد: فیدبک منفی و مثبت.

سیستم های فیدبک مثبت

در “سیستم کنترل فیدبک مثبت”، نقطه کنترل و مقادیر خروجی توسط کنترل کننده به یکدیگر اضافه می‌شوند زیرا فیدبک “هم فاز” با ورودی است. تأثیر فیدبک مثبت (یا احیا کننده) برای “افزایش” بهره سیستم است، یعنی بهره کلی با فیدبک مثبت اعمال شده بیشتر از بهره بدون فیدبک خواهد بود. به عنوان مثال، اگر کسی شما را تحسین کند یا فیدبک مثبتی در مورد چیزی به شما بدهد، نسبت به خود احساس خوشحالی می‌کنید و سرشار از انرژی هستید، احساس مثبت بیشتری می‌کنید.

با این حال، در سیستم‌های الکترونیکی و کنترل فیدبک مثبت می‌تواند باعث افزایش بیش از حد بهره سیستم‌ها شود که باعث می‌شود پاسخ‌های مدار نوسانی افزایش یابد زیرا باعث افزایش بزرگی سیگنال ورودی مؤثر می‌شود.

نمونه‌ای از سیستم‌های فیدبک مثبت می‌تواند یک تقویت کننده الکترونیکی مبتنی بر یک تقویت کننده عملیاتی یا تقویت کننده عملیاتی همانطور که نشان داده شده شود.

مدار سیستم های فیدبک مثبت

کنترل فیدبک مثبت تقویت کننده عملیاتی توسط اعمال یک بخش کوچک از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout برگشتی به ترمینال ورودی (+) غیر معکوس از طریق مقاومت فیدبک RF بدست می‌آید.

اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت باشد، تقویت کننده های عملیاتی این سیگنال مثبت را تقویت می‌کنند و خروجی مثبت‌تر می‌شود. بعضی از این ولتاژ خروجی به عقب به ورودی توسط شبکه فیدبک برگردانده می‌شوند.

درنتیجه، ولتاژ ورودی مثبت‌تر می‌شود، که باعث یک ولتاژ خروجی بزرگتر می‌شود. در نهایت خروجی در ریل تغذیه مثبت خود اشباع می‌شود.

به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس اتفاق می‌افتد و  تقویت کننده عملیاتی در ریل تغذیه منفی خود اشباع می‌شود. بنابراین می‌توانیم ببینیم که فیدبک مثبت اجازه نمی‌دهد مدار به عنوان یک تقویت کننده عمل کند زیرا ولتاژ خروجی به سرعت در یک ریل تغذیه یا دیگری اشباع می‌شود، زیرا با حلقه های فیدبک مثبت “بیشتر منجر به بیشتر” و “کمتر منجر به کمتر می‌شود”.

سپس اگر بهره حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد، تابع انتقال: (Av = G / (1 – GH خواهد بود. توجه داشته باشید که در صورت GH = 1 سیستم Av = نامتناهی را به دست آورد و مدار خود به خود نوسان می‌کند، پس از آن هیچ سیگنال ورودی برای حفظ نوسانات لازم نیست، که اگر می‌خواهید یک نوسان ساز ایجاد کنید کاربردی است.

اگرچه اغلب نامطلوب درنظر گرفته می‌شود، اما این رفتار در الکترونیک برای به دست آوردن پاسخ سوئیچینگ بسیار سریع به یک وضعیت یا سیگنال مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از نمونه های استفاده از فیدبک مثبت، هیسترزیس است که در آن یک دستگاه یا سیستم منطقی وضعیت معینی را حفظ می‌کند تا زمانی که برخی از ورودی ها از آستانه از پیش تعیین شده عبور کنند. این نوع رفتار “دو-پایداری” نامیده می شود و اغلب با گیت‌های منطقی و قطعات سوئیچینگ دیجیتالی مانند مولتی مترها همراه است.

دیدیم که فیدبک مثبت یا احیا کننده، بهره و احتمال بی‌ثباتی در سیستم را افزایش می‌دهد که ممکن است منجر به خود نوسانی شود و به همین ترتیب، فیدبک مثبت به طور گسترده‌ای در مدارهای نوسانی مانند نوسانگرها و مدارهای زمانی استفاده می‌شود.

سیستم های فیدبک منفی

در “سیستم کنترل فیدبک منفی”، نقطه تنظیم و مقادیر خروجی از یکدیگر کم می‌شوند زیرا فیدبک “غیر هم فاز” با ورودی اصلی است. تأثیر فیدبک منفی (یا عدم تولید) ” کاهش” بهره است. به عنوان مثال، اگر کسی از شما انتقاد کند یا در مورد چیزی به شما فیدبک منفی دهد،  نسبت به خود احساس ناراحتی می‌کنید و به همین دلیل کمبود انرژی دارید، احساس مثبت کمتری می‌کنید.

از آنجا که فیدبک منفی پاسخ‌های مدار پایداری را ایجاد می‌کند، پایداری را بهبود می‌بخشد و پهنای باند عملیاتی یک سیستم معین را افزایش می‌دهد، اکثر سیستم‌های کنترل و فیدبک احیا کننده نیستند که اثرات بهره را کاهش می‌دهد.

نمونه‌ای از سیستم فیدبک منفی یک تقویت کننده الکترونیکی مبتنی بر یک تقویت کننده عملیاتی است که در زیر نشان داده شده است:

مدار سیستم های فیدبک منفی

کنترل فیدبک منفی تقویت کننده توسط اعمال یک بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout برگشتی به ترمینال ورودی (-) معکوس از طریق مقاومت فیدبک Rf  بدست می‌آید.

اگر ولتاژ ورودی Vin مثبت است، تقویت کننده عملیاتی این سیگنال مثبت را تقویت می‌کند اما چون آن به ورودی معکوس تقویت کننده متصل شده است، خروجی منفی‌تر می‌شود. برخی از این ولتاژ خروجی به عقب به ورودی توسط شبکه فیدبک Rf برشگت خورده است.

بنابراین ولتاژ ورودی توسط سیگنال فیدبک منفی کاهش می‌یابد و باعث ایجاد ولتاژ خروجی حتی کوچکتر و غیره می‌شود. سرانجام در مقادیر تعیین شده توسط نسبت بهره Rf-Rin، خروجی مستقر و تثبیت می‌شود.

به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی Vin منفی باشد، برعکس اتفاق می‌افتد و خروجی تقویت کننده عملیاتی مثبت (معکوس) می‌شود که به سیگنال ورودی منفی می‌افزاید. سپس می توانیم ببینیم که فیدبک منفی به مدار اجازه می‌دهد تا به عنوان تقویت کننده تا زمانی که خروجی در محدوده اشباع باشد، عمل کند.

بنابراین می‌توانیم ببینیم که ولتاژ خروجی با فیدبک تثبیت شده و کنترل می‌شود، زیرا با حلقه‌های فیدبک منفی “بیشتر منجر به کمتر می‌شود” و “کمتر منجر به بیشتر می‌شود”. سپس اگر بهره حلقه برای هر سیستمی مثبت باشد، تابع انتقال: (Av = G / (1 + GH خواهد بود.

استفاده از فیدبک منفی در تقویت کننده ها و سیستم های کنترل فرآیند بسیار گسترده است زیرا به طور معمول سیستم های فیدبک منفی نسبت به سیستم های فیدبک مثبت پایدارتر هستند، و گفته می‌شود که سیستم فیدبک منفی اگر در هر فرکانسی به جز شرایط مدار معین به خودی خود نوسان نکند پایدار است.

مزیت دیگر این است که فیدبک منفی همچنین باعث می‌شود سیستم های کنترل نسبت به تغییرات تصادفی در مقادیر مؤلفه‌ها و ورودی‌ها مصون باشند. البته هیچ چیز  مجانی نیست، بنابراین باید از آن به عنوان فیدبک منفی مهم که مشخصه عملیاتی سیستم ارائه شده را تغییر می‌دهد با احتیاط استفاده کرد.

طبقه بندی سیستم های فیدبک

تاکنون ما نحوه “برگشت به عقب” سیگنال خروجی را به ترمینال ورودی مشاهده کردیم، و برای سیستم های فیدبک این می‌تواند از فیدبک مثبت یا  فیدبک منفی باشد. اما نحوه اندازه گیری و ورود سیگنال خروجی به مدار ورودی می‌تواند بسیار متفاوت باشد که منجر به چهار طبقه بندی اصلی فیدبک می‌شود.

با توجه به مقدار ورودی که تقویت می‌شود و در شرایط خروجی مطلوب، متغیرهای ورودی و خروجی را می‌توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل نمود. در نتیجه چهار طبقه‌بندی اصلی سیستم فیدبک تک حلقه وجود دارد که در آن سیگنال خروجی به ورودی باز می‌گردد و این موارد عبارتند از:

پیکربندی موازی – سری – ولتاژ ورودی و خروجی یا منبع ولتاژ کنترل شده ولتاژ (VCVS)

پیکربندی موازی – موازی – جریان ورودی و ولتاژ خروجی یا جریان کنترل شده منبع ولتاژ (CCVS)

پیکربندی سری – سری – ولتاژ ورودی و جریان خروحی یا ولتاژ کنترل شده منبع جریان (VCCS)

پیکربندی سری – موازی – جریان ورودی و خروجی یا جریان کنترل شده منبع جریان (CCCS)

این نام‌ها از روشی که شبکه فیدبک بین حالت‌های ورودی و خروجی متصل می‌شود می‌آید که نشان داده شده است.

سیستم های فیدبک موازی – سری

فیدبک موازی – سری، همچنین به عنوان فیدبک ولتاژ سری شناخته می‌شود، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل ولتاژ ولتاژ عمل می‌کند. ولتاژ خطایی که از شبکه فیدبک تغذیه می‌شود به صورت سری با ورودی است. ولتاژ که از خروجی تغذیه می‌شود متناسب با ولتاژ خروجی، Vo است زیرا که بصورت موازی متصل شده است.

برای اتصال سری موازی، پیکربندی به عنوان ولتاژ خروجی، Vout به ولتاژ ورودی، Vin تعریف شده است. اکثر مدارهای تقویت کننده عملیاتی معکوس و غیرمعکوس با فیدبک سری – موازی کار می‌کنند که به عنوان “تقویت کننده ولتاژ” شناخته می‌شود. به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ مقاومت ورودی ایده‌آل، Rin بسیار بزرگ است  و مقاومت خروجی ایده‌آل، Rout بسیار کوچک است.

سپس “پیکربندی  فیدبک موازی – سری ” به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ واقعی کار می‌کند زیرا سیگنال ورودی یک ولتاژ است و سیگنال خروجی یک ولتاژ است، بنابراین بهره انتقال به این صورت است: Av = Vout ÷ Vin. توجه داشته باشید که این مقدار بی‌اندازه است زیرا واحدهای آن ولت / ولت هستند.

سیستم های فیدبک سری – موازی

فیدبک سری – موازی، همچنین به عنوان فیدبک جریان موازی شناخته می‌شود، که به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل شده جریان – جریان عمل می‌کند. سیگنال فیدبک متناسب با جریان خروجی است Io جاری در بار است. سیگنال فیدبک به طور موازی با ورودی همانطور که نشان داده می‌شود، است.

برای اتصال سری -موازی، پیکربندی به عنوان جریان خروجی، Iout به جریان ورودی، Iin تعریف می‌شود. در پیکربندی فیدبک سری موازی، سیگنال فیدبک شده به طور موازی با سیگنال ورودی است و به همین ترتیب آنها جریان هستند، نه ولتاژهایی که اضافه می‌شوند.

این اتصال فیدبک موازی به طور طبیعی بر بهره ولتاژ سیستم تأثیر نمی‌گذارد، زیرا برای خروجی ولتاژ، ورودی ولتاژ لازم است. همچنین اتصال سری در خروجی، مقاومت خروجی را افزایش می‌دهد، Rout در حالی که اتصال موازی در ورودی، مقاومت ورودی Rin را کاهش می‌دهد.

سپس “پیکربندی فیدبک سری سری” به عنوان یک تقویت کننده جریان واقعی کار می‌کند زیرا سیگنال ورودی یک جریان است و سیگنال خروجی یک جریان است، بنابراین بهره انتقال به این صورت است: Ai = Iout ÷ Iin. توجه داشته باشید که این مقدار بی‌اندازه است زیرا واحدهای آن آمپر / آمپر هستند.

سیستم های فیدبک سری – سری

سیستم‌های فیدبک سری سری، همچنین به عنوان فیدبک جریان سری شناخته می‌شود، که به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل شده ولتاژ – جریان کار می‌کند. در پیکربندی جریان سری، سیگنال خطای فیدبک به صورت سری با ورودی است و متناسب با جریان بار، Iout است. در واقع، این نوع فیدبک سیگنال جریان را به یک ولتاژ تبدیل می‌کند که در واقع از آن تغذیه می‌شود و این ولتاژ است که از ورودی جدا می‌شود.

برای اتصال سری سری، پیکربندی به عنوان جریان خروجی Iout به ولتاژ Vin تعریف می‌شود. از آنجا که جریان خروجی Iout اتصال سری به عنوان ولتاژ فیدبک می‌شود، این امپدانس ورودی و خروجی سیستم را افزایش می‌دهد. بنابراین، مدار به عنوان یک تقویت کننده رسانا با مقاومت ورودی ایده‌آل کار می‌کند Rin بسیار بزرگ است و مقاومت خروجی ایده‌آل، Rout نیز بسیار بزرگ است.

سپس”پیکربندی فیدبک سری سری” به عنوان سیستم تقویت کننده نوع رسانا عمل می‌کند و سیگنال ورودی ولتاژ است و سیگنال خروجی جریان است. سپس برای یک مدار فیدبک سری – سری بهره انتقال بصورت Gm=Oout/Vin است.

سیستم های فیدبک موازی – موازی

سیستم های فیدبک موازی – موازی، که نیز به عنوان فیدبک ولتاژ موازی شناخته می‌شوند، به عنوان یک سیستم فیدبک کنترل شده ولتاژ جریان عمل می‌کند. در پیکربندی فیدبک موازی – موازی سیگنال تغذیه شده به طور موازی با سیگنال ورودی است. ولتاژ خروجی حس می‌شود و جریان از جریان ورودی درموازی کم می‌شود  و به این ترتیب آن ها جریان هستند، نه ولتاژهایی که کم می‌شوند.

برای اتصال موازی – موازی، پیکربندی به عنوان ولتاژ خروجی، Vout به جریان ورودی، Iin تعریف می‌شود. از آنجا که ولتاژ خروجی به عنوان یک جریان به پورت ورودی جریان هدایت می‌شود، اتصالات موازی در هر دو پایانه ورودی و خروجی باعث کاهش امپدانس ورودی و خروجی می‌شود. بنابراین سیستم به عنوان یک سیستم مقاومت گذرا با مقاومت ورودی ایده‌آل کار می‌کند، Rin بسیار کوچک است و مقاومت خروجی ایده‌آل، Rout نیز بسیار کوچک است.

سپس پیکربندی ولتاژ موازی به عنوان یک تقویت کننده ولتاژ نوع مقاومتی کار می‌کند زیرا سیگنال ورودی جریان است و سیگنال خروجی ولتاژ است، بنابراین بهره انتقال بصورت : Rm=Vout/Iinارائه شده است.

خلاصه سیستم های فیدبک 

دیدیم که یک سیستم های فیدبک سیستمی است که در آن سیگنال خروجی نمونه‌برداری می‌شود و سپس به ورودی تغذیه می‌شود تا سیگنال خطایی را ایجاد کند که سیستم را هدایت کند و بسته به نوع فیدبک استفاده شده، سیگنال بازخورد که با سیگنال ورودی سیستم مخلوط می‌شود، می‌تواند یک ولتاژ یا جریان باشد.

فیدبک همیشه عملکرد یک سیستم را تغییر می‌دهد و آرایش فیدبک می‌تواند سیستم های فیدبک مثبت (احیا کننده) یا منفی (تخریب کننده) باشد. اگر حلقه فیدبک در اطراف سیستم یک حلقه بهره ایجاد کند که منفی باشد، گفته می‌شود که فیدبک منفی یا تخریب کننده با اثر اصلی فیدبک منفی در کاهش بهره سیستم است.

اگرچه بهره حاصل از حلقه مثبت است، گفته می‌شود که سیستم فیدبک مثبت یا بازخورد احیاگر دارد. تأثیر فیدبک مثبت افزایش بهره است که می‌تواند باعث بی‌ثباتی و نوسان سیستم شود بخصوص اگر GH = -1 باشد.

ما همچنین دیدیم که نمودارهای بلوک می‌توانند برای نشان دادن انواع مختلف سیستم های فیدبک استفاده شوند. در نمودارهای بلوک بالا، متغیرهای ورودی و خروجی را می‌توان به صورت ولتاژ یا جریان مدل نمود و به همین ترتیب چهار ترکیبی از ورودی و خروجی وجود دارد که بیانگر انواع احتمالی فیدبک است، یعنی: فیدبک سری ولتاژ ، فیدبک ولتاژ موازی، فیدبک سری جریان و فیدبک جریان موازی.

نام این نوع سیستم‌های مختلف فیدبک از روشی که شبکه فیدبک بین مراحل ورودی و خروجی به صورت موازی (شنت) یا سری متصل می‌شود، می‌آید. در آموزش بعدی درباره سیستم های فیدبک ، به بررسی اثرات فیدبک منفی بر روی یک سیستم خواهیم پرداخت و خواهیم دید که چگونه می‌توان از آن برای بهبود پایداری سیستم های کنترل استفاده کرد.