سیستم های الکترونیکی

یک سیستم الکترونیکی یک اتصال فیزیکی از اجزا یا قطعات است که مقادیر مختلفی از اطلاعات را جمع‌­آوری می‌کند.

سیستم این کار را با کمک دستگاه‌های ورودی مانند حسگرها انجام می‌دهد که به نوعی به این اطلاعات پاسخ می‌دهند و سپس از انرژی الکتریکی در قالب یک عمل خروجی برای کنترل یک فرآیند فیزیکی یا انجام نوعی عملیات ریاضی روی سیگنال استفاده می‌کند.

سیستم‌­های کنترل الکترونیکی را می­‌توان به عنوان فرآیندی نیز در نظر گرفت که یک سیگنال را به سیگنال دیگر تبدیل کرده تا پاسخ سیستم مورد نظر را بدهد. بنابراین، می‌­توان گفت که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک فرآیند و یک خروجی است که متغیر ورودی به سیستم و متغیر خروجی از سیستم هر دو سیگنال هستند.

راه­‌های زیادی برای نمایش یک سیستم وجود دارد، به عنوان مثال: به صورت ریاضی، توصیفی، تصویری یا شماتیک. سیستم‌های الکترونیکی عموماً به‌صورت شماتیک به‌عنوان مجموعه‌ای از بلوک‌ها و سیگنال‌های به هم پیوسته نشان داده می‌شوند که هر بلوک دارای مجموعه‌ای از ورودی‌ها و خروجی‌های خاص خود است.

در نتیجه، حتی پیچیده‌ترین سیستم‌های کنترل الکترونیکی را می‌توان با ترکیبی از بلوک‌های ساده نشان داد که هر بلوک حاوی یا نماینده یک جزء مجزا یا زیرسیستم کامل است. نمایش یک سیستم الکترونیکی یا سیستم کنترل فرآیند به عنوان تعدادی بلوک به هم پیوسته معمولاً به عنوان “نمایش نمودار بلوکی” یا بلوک دیاگرام (block-diagram) شناخته می­‌شود.

نمایش بلوک دیاگرام یک سیستم الکترونیکی ساده

۱. نمایش بلوک دیاگرام یک سیستم الکترونیکی ساده

سیستم­‌های الکترونیکی دارای هر دوی ورودی و خروجی هستند که خروجی یا خروجی­‌ها با پردازش ورودی‌­ها تولید می‌­شوند. همچنین سیگنال(های) ورودی ممکن است باعث تغییر فرآیند شوند یا خود باعث تغییر عملکرد سیستم شوند. بنابراین، ورودی(های) یک سیستم “علت” تغییر است، در حالی که عمل حاصله که بر روی خروجی سیستم به دلیل وجود این علت رخ می دهد، “معلول” نامیده می‌­شود، که معلول نتیجه علت است.

به عبارت دیگر، یک سیستم الکترونیکی را می­‌توان در ماهیت «علّی» طبقه‌­بندی کرد، زیرا رابطه مستقیمی بین ورودی و خروجی آن وجود دارد. تجزیه و تحلیل سیستم‌­های الکترونیکی و تئوری کنترل فرآیند به طور کلی بر اساس این تحلیل علت و معلولی است.

برای مثال در یک سیستم صوتی، یک میکروفون (دستگاه ورودی) باعث می‌شود که امواج صوتی به سیگنال‌های الکتریکی برای تقویت‌کننده (فرایند) تبدیل شود و یک بلندگو (دستگاه خروجی) امواج صوتی را به عنوان معلولی که توسط سیگنال‌­های الکتریکی تقویت‌­کننده‌­ها تحریک می‌شود، تولید می‌کند.

اما لازم نیست یک سیستم الکترونیکی یک عملیات ساده یا منفرد باشد. یک سیستم می­‌تواند اتصالی از چندین زیر سیستم باشد که همه با هم در یک سیستم کلی کار می­‌کنند.

به عنوان مثال، سیستم صوتی می­‌تواند شامل اتصال یک پخش­‌کننده CD ، یا یک پخش‌­کننده DVD، یک پخش کننده MP3 یا یک گیرنده رادیویی باشد که همگی چندین ورودی به یک تقویت­‌کننده دارند که به نوبه خود یک یا چند مجموعه از بلندگوهای استریو یا سینمای خانگی را تحریک می­‌کند.

اما یک سیستم الکترونیکی نمی‌تواند فقط مجموعه‌ای از ورودی‌ها و خروجی‌ها باشد، بلکه باید کاری انجام دهد، حتی اگر این کار فقط برای نظارت بر یک سوئیچ یا روشن کردن یک چراغ باشد. می‌­دانیم که حسگرها دستگاه‌­های ورودی هستند که اندازه­‌گیری­‌های دنیای واقعی را به سیگنال­‌های الکترونیکی تبدیل کرده و یا آن­ها را جهت پردازش، شناسایی می­‌کنند. این سیگنال­‌های الکتریکی می­‌توانند به صورت ولتاژ یا جریان در یک مدار باشند. دستگاه خروجی، فعال­‌کننده (actuator) نامیده می­‌شود که سیگنال پردازش شده را به عملی، معمولاً به شکل حرکت مکانیکی، تبدیل می­‌کند.

انواع سیستم‌های الکترونیکی

سیستم­‌های الکترونیکی با استفاده از سیگنال‌­های زمان پیوسته (CT) یا سیگنال‌­های زمان گسسته (DT) کار می­‌کنند. سیستم زمان پیوسته، سیستمی است که در آن سیگنال‌های ورودی در امتداد یک زنجیره زمانی تعریف می‌شوند، مانند سیگنال آنالوگ که در طول زمان ادامه می‌یابد و یک سیگنال زمان پیوسته تولید می‌کند.

یک سیگنال زمان پیوسته می‌تواند در دامنه تغییر کند یا ماهیت تناوبی با دوره زمانی T داشته باشد. در نتیجه، سیستم‌های الکترونیکی زمان پیوسته معمولاً سیستم‌های کاملاً آنالوگ هستند که یک عملیات خطی را با سیگنال‌های ورودی و خروجی‌شان در یک دوره زمانی مشخص، انجام می‌دهند.

سیگنال‌­ زمان پیوسته (CT)

به عنوان مثال، دمای یک اتاق را می‌­توان به عنوان یک سیگنال زمانی پیوسته طبقه بندی کرد که می‌­تواند بین دو مقدار یا مرحله، به عنوان مثال از سرد به گرم یا از دوشنبه تا جمعه، اندازه‌­گیری شود. می‌توانیم یک سیگنال زمان پیوسته را با استفاده از متغیر مستقل زمان t نشان دهیم، که x(t) سیگنال ورودی و y (t) سیگنال خروجی را در یک دوره زمانی t نشان می‌دهد.

به طور کلی، بیشتر سیگنال‌های موجود در دنیای فیزیکی که می‌توانیم از آنها استفاده کنیم، سیگنال‌های زمان پیوسته هستند. به عنوان مثال، ولتاژ، جریان، دما، فشار، سرعت و غیره.

۲. سیگنال پیوسته

سیگنال‌ زمان گسسته (DT)

از سوی دیگر، سیستم زمان گسسته سیستمی است که در آن سیگنال‌های ورودی پیوسته نیستند، بلکه یک دنباله یا یک سری از مقادیر سیگنال هستند که در نقاط زمانی «گسسته» تعریف شده‌اند. این منجر به یک خروجی زمان گسسته می‌­شود که عموماً به صورت دنبال‌ه­ای از مقادیر یا اعداد نمایش داده می­‌شود.

به طور کلی، یک سیگنال گسسته فقط در فواصل، مقادیر یا نقاط با فاصله زمانی مساوی، مشخص می­‌شود. برای مثال، دمای یک اتاق در ساعت ۱ بعد از ظهر، ۲ بعد از ظهر، ۳ بعد از ظهر و دوباره در ساعت ۴ بعد از ظهر بدون توجه به دمای واقعی اتاق در بین این نقاط مثلاً ۱:۳۰ بعد از ظهر یا در ۲:۴۵ بعدازظهر، اندازه­‌گیری می­‌شود.

با این حال، یک سیگنال زمان پیوسته x(t) را می­‌توان به عنوان مجموعه­‌ای مجزا از سیگنال‌­ها تنها در فواصل گسسته یا “لحظه‌­های زمان” نشان داد. سیگنال­‌های گسسته بر حسب زمان اندازه‌­گیری نمی‌­شوند، بلکه در فواصل زمانی گسسته ترسیم می­‌شوند، و در آن­ها n بازه نمونه­‌‌برداری است. در نتیجه، سیگنال­‌های زمان گسسته معمولا به صورت x(n) برای ورودی و y(n) برای خروجی، نمایش داده می­‌شوند.

۳. سیگنال گسسته

بنابراین، می‌توانیم سیگنال‌های ورودی و خروجی یک سیستم را به ترتیب با x و y نشان داده و خود سیگنال یا سیگنال‌ها را با متغیر t که معمولاً زمان را برای یک سیستم پیوسته نشان می‌دهد، و یا متغیر n که یک مقدار صحیح را برای یک سیستم گسسته نشان می­‌دهد، نمایش دهیم که در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم زمان پیوسته و زمان گسسته

اتصال سیستم‌ها

یکی از جنبه­‌های عملی سیستم­‌های الکترونیکی و نمایش بلوک دیاگرام این است که می­‌توان آن­ها را به صورت سری یا موازی با هم ترکیب کرد تا سیستم­‌های بسیار بزرگتری را تشکیل دهند. بسیاری از سیستم­‌های واقعی بزرگتر با استفاده از اتصال چندین زیر سیستم ساخته می­‌شوند و با استفاده از نمودارهای بلوکی برای نشان دادن هر زیرسیستم، می­‌توانیم یک نمایش گرافیکی از کل سیستم مورد تجزیه و تحلیل بسازیم.

هنگامی که زیرسیستم‌­ها برای تشکیل یک مدار سری ترکیب می­‌شوند، خروجی کلی در y(t) معادل ضرب سیگنال ورودی x(t) خواهد بود به­ گونه­‌ای که زیرسیستم­‌ها به صورت سری به هم متصل می‌­شوند.

سیستم اتصال سری

۴. سیستم اتصال سری

برای یک سیستم زمان پیوسته سری، سیگنال خروجی y(t) اولین زیر سیستم “A” به سیگنال ورودی زیرسیستم دوم “B” تبدیل می­‌شود که خروجی آن به ورودی سومین زیرسیستم “C” تبدیل می­‌شود. به همین ترتیب از طریق یک زنجیره سری A × B × C نتیجه داده می­‌شود.

سیگنال ورودی اصلی از طریق این سیستم به صورت سری متصل می‌شود، بنابراین برای دو زیرسیستم متصل سری، خروجی معادل برابر با ضرب سیستم‌ها خواهد بود یعنی y(t) = G۱(s) × G۲(s)، که G نشان­‌دهنده تابع انتقال زیرسیستم است.

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

همچنین، برای یک سیستم متصل سری، ترتیب انجام عملیات بر روی سیگنال­‌های ورودی و خروجی اثری ندارد، زیرا: G۱(s) × G۲(s) برابر G۲(s) × G۱( s) است. مثالی از مدارهای متصل سری ساده می­‌تواند یک میکروفون تکی باشد که یک تقویت­‌کننده و به دنبال آن یک بلندگو را تغذیه می­‌کند.

سیستم الکترونیکی متصل موازی

۵. سیستم الکترونیکی متصل موازی

برای یک سیستم زمان پیوسته متصل موازی، هر زیرسیستم سیگنال ورودی یکسانی را دریافت می‌کند و خروجی‌های جداگانه آن‌ها با هم جمع می‌شوند تا یک خروجی کلی y(t) تولید کنند. بنابراین، برای دو زیرسیستم متصل موازی، خروجی معادل مجموع دو ورودی مجزا یعنی y(t) = G۱(s) + G۲(s) خواهد بود.

مثالی از یک مدار متصل موازی ساده می­‌تواند چندین میکروفون باشد که به یک میز میکس متصل شده و به نوبه خود سیستم تقویت‌­کننده و بلندگو را تغذیه می­‌کنند.

سیستم‌های فیدبک الکترونیکی‌

یکی دیگر از اتصالات مهم سیستم‌­ها که به طور گسترده در سیستم‌­های کنترل استفاده می­‌شود، “پیکربندی فیدبک” است. در سیستم های فیدبک، کسری از سیگنال خروجی “فیدبک” شده و به سیگنال ورودی اصلی اضافه یا از آن کم می‌­شود. نتیجه این است که خروجی سیستم به طور مستمر در حال تغییر یا به روز رسانی ورودی خود با هدف اصلاح پاسخ سیستم برای بهبود پایداری است. معمولاً به یک سیستم فیدبک، “سیستم حلقه بسته” نیز گفته می‌­شود و در زیر نشان داده شده است.

سیستم فیدبک حلقه بسته (Closed-Loop)

۶. سیستم فیدبک حلقه بسته

سیستم‌های فیدبک در اکثر طراحی‌های عملی سیستم‌های الکترونیکی برای کمک به تثبیت سیستم و افزایش کنترل آن استفاده می‌شوند. اگر حلقه فیدبک مقدار سیگنال اصلی را کاهش دهد، حلقه فیدبک به عنوان “فیدبک منفی” شناخته می­‌شود. اگر حلقه فیدبک به مقدار سیگنال اصلی اضافه کند، حلقه فیدبک به عنوان “فیدبک مثبت” شناخته می­‌شود.

مثالی از یک سیستم فیدبک ساده می‌­تواند یک سیستم گرمایشی با کنترل ترموستاتیک در خانه باشد. اگر خانه خیلی گرم باشد، حلقه فیدبک سیستم گرمایش را خاموش کرده تا خنک­‌تر شود. اگر خانه خیلی سرد باشد، حلقه فیدبک سیستم گرمایش را روشن کرده تا گرم شود. در این مثال، سیستم از سیستم گرمایش، دمای هوا و حلقه فیدبک کنترل شده ترموستاتیک، تشکیل شده است.

تابع انتقال سیستم‌ها

۷. تابع انتقال سیستم‌ها

هر زیرسیستم را می‌­توان به صورت یک بلوک ساده با ورودی و خروجی، همانطور که نشان داده شده است، نمایش داد. به طور کلی، ورودی به صورت θi و خروجی به صورت θo تعیین می­‌شود. نسبت خروجی به ورودی نشان دهنده بهره (G) زیرسیستم است و بنابراین به صورت G = θo/θi تعریف می­‌شود.

در این مورد، G نشان دهنده تابع انتقال سیستم یا زیرسیستم است. هنگام بحث در مورد سیستم‌­های الکترونیکی از نظر تابع انتقال آن­ها، عملگر مختلط s استفاده می‌­شود، بنابراین معادله بهره به صورت زیر بازنویسی می­‌شود: G(s) = θo(s)/θi(s)

خلاصه سیستم الکترونیکی

دیدیم که یک سیستم الکترونیکی ساده شامل یک ورودی، یک فرآیند، یک خروجی و احتمالاً فیدبک است. سیستم­‌های الکترونیکی را می­‌توان با استفاده از نمودارهای بلوکی به هم پیوسته نشان داد که در آن خطوط بین هر بلوک یا زیرسیستم هم جریان و هم جهت سیگنال در سیستم را نشان می­‌دهند.

بلوک دیاگرام‌­ها نیازی به نمایش یک سیستم منفرد ساده ندارند، بلکه می­‌توانند سیستم­‌های بسیار پیچیده ساخته شده از تعداد زیادی از زیرسیستم­‌های به هم پیوسته را نشان دهند. این زیرسیستم‌­ها را می‌­توان بسته به جریان سیگنال­‌ها به صورت سری، موازی یا ترکیبی از هر دو به یکدیگر متصل کرد.

همچنین دیدیم که سیگنال‌ها و سیستم‌های الکترونیکی می‌توانند ماهیت زمان پیوسته یا گسسته داشته باشند و ممکن است آنالوگ، دیجیتال یا هر دو باشند. از حلقه‌­های فیدبک می­‌توان برای افزایش یا کاهش عملکرد یک سیستم خاص با ایجاد ثبات و کنترل بهتر استفاده کرد. کنترل، فرآیندی است که باعث می‌­شود یک متغیر سیستم به یک مقدار خاص که مقدار مرجع نامیده می شود، پایبند باشد.

در مقاله بعدی در مورد سیستم­‌های الکترونیکی، به انواعی از سیستم­‌های کنترل الکترونیکی به نام سیستم حلقه باز می‌­پردازیم که یک سیگنال خروجی y(t) را بر اساس مقادیر ورودی فعلی خود تولید می‌­کند و به این ترتیب بر خروجی نظارت نکرده و یا تنظیماتی را بر اساس شرایط خروجی آن ایجاد نمی­‌کند.