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
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.
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 1 بعد از ظهر، 2 بعد از ظهر، 3 بعد از ظهر و دوباره در ساعت 4 بعد از ظهر بدون توجه به دمای واقعی اتاق در بین این نقاط مثلاً 1:30 بعد از ظهر یا در 2:45 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.
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
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) = G1(s) × G2(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: G1(s) × G2(s) برابر G2(s) × G1( 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
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) = G1(s) + G2(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)
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
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.
