Un sistem electronic este o interconectare fizică de componente sau părți, care adună împreună cantități diferite de informații. Acesta face acest lucru cu ajutorul dispozitivelor de intrare, cum ar fi senzorii, care răspund într-un fel la aceste informații și apoi utilizează energia electrică sub forma unei acțiuni de ieșire pentru a controla un proces fizic sau pentru a efectua un anumit tip de operație matematică asupra semnalului.

Dar sistemele electronice de control pot fi de asemenea considerate ca un proces care transformă un semnal într-altul astfel încât să dea răspunsul dorit al sistemului. Atunci, putem spune că un sistem electronic simplu constă dintr-o intrare, un proces și o ieșire cu variabila de intrare în sistem și variabila de ieșire din sistem, ambele fiind semnale.

Există mai multe moduri de a reprezenta un sistem, de exemplu: matematic, descriptiv, pictorial sau schematic. Sistemele electronice sunt în general reprezentate schematic ca o serie de blocuri și semnale interconectate, fiecare bloc având propriul set de intrări și ieșiri.

Ca rezultat, chiar și cele mai complexe sisteme de control electronic pot fi reprezentate de o combinație de blocuri simple, fiecare bloc conținând sau reprezentând o componentă individuală sau un subsistem complet. Reprezentarea unui sistem electronic sau a unui sistem de control al procesului ca un număr de blocuri sau cutii interconectate este cunoscută în mod obișnuit ca "reprezentarea diagramei bloc".

Reprezentarea diagramei bloc a unui sistem electronic simplu

Sistemele electronice au atât intrări, cât și ieșiri, iar ieșirea sau ieșirile sunt produse prin procesarea intrărilor. De asemenea, semnalul (semnalele) de intrare pot determina modificarea procesului sau poate cauza modificarea funcționării sistemului. De aceea, intrările în sistem sunt "cauza" schimbării, în timp ce acțiunea rezultată care apare pe ieșirea sistemelor datorită prezenței acestei cauze se numește "efect", efectul fiind o consecință a cauzei.

Cu alte cuvinte, un sistem electronic poate fi clasificat ca fiind "cauzal" în natură, deoarece există o relație directă între intrarea sa și ieșirea sa. Analiza sistemelor electronice și teoria controlului proceselor se bazează, în general, pe această analiză a cauzei și efectului.

De exemplu, într-un sistem audio, un microfon (dispozitiv de intrare) face ca undele sonore să fie transformate în semnale electrice pentru ca amplificatorul să amplifice (un proces), iar un difuzor (dispozitiv de ieșire) să producă unde sonore ca efect al acționării semnalele electrice prin amplificatoare.

Dar un sistem electronic nu trebuie să fie o operație simplă sau unică. De asemenea, poate fi o interconectare a mai multor subsisteme care lucrează împreună în cadrul aceluiași sistem global.

Sistemul nostru audio ar putea implica, de exemplu, conectarea unui CD player sau a unui DVD player, a unui MP3 player sau a unui receptor radio, toate fiind multiple intrări ale aceluiași amplificator care, la rândul său, acționează unul sau mai multe seturi de difuzoare surround, tip stereo sau home theater.

Dar un sistem electronic nu poate fi doar o colecție de intrări și ieșiri, trebuie să "facă ceva", chiar dacă este doar pentru a monitoriza un comutator sau pentru a comuta "ON" o lumină. Știm că senzorii sunt dispozitive de intrare care detectează sau transformă măsurătorile din lumea reală în semnale electronice care pot fi apoi procesate. Aceste semnale electrice pot fi sub formă de tensiuni sau curenți în cadrul unui circuit. Dispozitivul opus sau de ieșire este numit un dispozitiv de acționare, care transformă semnalul procesat într-o anumită operație sau acțiune, de obicei sub formă de mișcare mecanică.

Tipuri de sisteme electronice

Sistemele electronice funcționează fie pe semnale de timp continuu (CT), fie pe semnale de timp discret (DT). Un sistem de timp continuu este cel în care semnalele de intrare sunt definite de-a lungul unui timp continuu, cum ar fi un semnal analogic care "continuă" în timp, producând un semnal de timp continuu.

Dar un semnal continuu în timp poate varia în mărime sau să fie de natură periodică, cu o perioadă de timp T. Ca urmare, sistemele electronice de timp continuu tind să fie sisteme pur analogice care produc o operație liniară cu semnale de intrare și ieșire raportate pe o perioadă de timp stabilită.

De exemplu, temperatura unei încăperi poate fi clasificată ca un semnal de durată continuă care poate fi măsurată între două valori sau puncte de setare, de exemplu de la rece la cald sau de luni până vineri. Putem reprezenta un semnal de timp continuu folosind variabila independentă pentru timpul t si unde x (t) reprezintă semnalul de intrare iar y(t) reprezintă semnalul de ieșire pe o perioadă de timp t.

În general, majoritatea semnalelor prezente în lumea fizică pe care le putem folosi tind să fie semnale de timp continuu. De exemplu, tensiunea, curentul, temperatura, presiunea, viteza etc.

Pe de altă parte, un sistem cu timp discret este unul în care semnalele de intrare nu sunt continue, ci o secvență sau o serie de valori de semnal definite în puncte "discrete" de timp. Aceasta are ca rezultat o ieșire de timp discret, reprezentată în general ca o secvență de valori sau numere.

În general, un semnal discret este specificat numai la intervale discrete, valori sau puncte egal distanțate în timp. De exemplu, temperatura unei încăperi, măsurată la ora 1 pm, la 2 pm, la ora 3 pm și din nou la ora 4 pm, fără a se ține seama de temperatura reală a încăperii între aceste puncte, să zicem de la 1:30 sau 2:45 pm.

Dar, un semnal de durată continuă x (t) poate fi reprezentat ca un set discret de semnale numai la intervale discrete sau "momente în timp". Semnalele discrete nu sunt măsurate față de timp, ci sunt trasate grafic la intervale de timp discrete, unde n este intervalul de eșantionare. Ca urmare, semnalele cu timp discret sunt de obicei indicate ca x(n) reprezentând intrarea și y(n) reprezentând ieșirea.

Atunci, putem reprezenta semnalele de intrare și ieșire ale unui sistem ca x și, respectiv, y cu semnalul în sine fiind reprezentat de variabila t, care de obicei reprezintă timpul pentru un sistem continuu și variabila n, care reprezintă o valoare întreagă pentru un sistem discret, așa cum se arată.

Sisteme de timp continuu și timp discret

Interconectarea sistemelor

Unul dintre aspectele practice ale sistemelor electronice și reprezentării diagramelor bloc este acela că ele pot fi combinate împreună în combinații paralele sau serie, pentru a forma sisteme mult mai mari. Multe sisteme reale mai mari sunt construite folosind interconectarea mai multor subsisteme și prin utilizarea diagramelor bloc pentru a reprezenta fiecare subsistem, putem construi o reprezentare grafică a întregului sistem analizat.

Atunci când subsistemele sunt combinate pentru a forma un circuit serie, rezultatul global la y(t) va fi echivalent cu multiplicarea semnalului de intrare x(t), așa cum se arată, deoarece subsistemele sunt împreună în cascadă.

Sistem conectat serie

Pentru un sistem continuu în timp conectat serie, semnalul de ieșire y(t) a primului subsistem „A“ devine semnalul de intrare al subsistemului secund „B“, a cărui ieșire devine intrarea subsistem trei „C“ și așa mai departe, prin lanțul de serie, dând A x B x C, etc.

Atunci, semnalul de intrare original este în cascadă printr-un sistem conectat în serie, astfel încât, pentru două subsisteme conectate serie, ieșirea unică echivalentă va fi egală cu multiplicarea sistemelor, adică y(t) = G1(s) x G2(s), unde G reprezintă funcția de transfer a subsistemului.

Rețineți că termenul "funcția de transfer" a unui sistem se referă la, și este definit ca fiind, relația matematică între intrarea sistemelor și ieșirea lor sau ieșire/intrare și, prin urmare, descrie comportamentul sistemului.

De asemenea, pentru un sistem conectat în serie, ordinea în care se efectuează o operație serie nu contează cu privire la semnalele de intrare și ieșire deoarece: G1(s) x G2(s) este la fel cu G2(s) x G1(s). Un exemplu de circuit simplu legat serie ar putea fi un singur microfon care alimentează un amplificator urmat de un difuzor.

Sistem electronic conectat paralel

Pentru un sistem în timp continuu conectat paralel, fiecare subsistem primește același semnal de intrare, iar ieșirile lor individuale sunt însumate pentru a produce o ieșire globală y(t). Atunci, pentru două subsisteme conectate paralel, ieșirea unică echivalentă va fi suma celor două intrări individuale, adică y(t) = G1(s) + G2(s).

Un exemplu de circuit simplu conectat paralel ar putea fi mai multe microfoane cuplate într-o masă de mixaj care, la rândul său, este cuplată la un amplificator și un sistem de difuzoare.

Sisteme electronice cu feedback

O altă interconectare importantă a sistemelor care este utilizată pe scară largă în sistemele de control este "configurația cu feedback". În sistemele cu feedback, o fracțiune din semnalul de ieșire este "trimisă înapoi" și adăugată sau scăzută din semnalul inițial de intrare. Rezultatul este că ieșirea din sistem se modifică continuu sau își actualizează intrarea în scopul modificării răspunsului unui sistem de îmbunătățire a stabilității. Un sistem cu feedback este denumit, în mod obișnuit, "sistem cu buclă închisă", așa cum se arată.

Sistem feedback cu buclă închisă

Sistemele cu feedback sunt folosite foarte mult în majoritatea modelelor practice de sisteme electronice pentru a ajuta la stabilizarea sistemului și la creșterea controlului acestuia. Dacă bucla de feedback reduce valoarea semnalului original, bucla de feedback este cunoscută drept "feedback negativ". Dacă bucla de feedback adaugă la valoarea semnalului original, bucla de feedback este cunoscută drept "feedback pozitiv".

Un exemplu de sistem cu feedback simplu ar putea fi un sistem de încălzire controlat termostatic în casă. Dacă locuința este prea caldă, bucla de feedback va comuta "OFF" sistemul de încălzire pentru a o face mai rece. Dacă locuința este prea rece, bucla de feedback va comuta "ON" sistemul de încălzire pentru a o face mai caldă. În acest caz, sistemul cuprinde sistemul de încălzire, temperatura aerului și bucla de feedback controlată termostatic.

Funcția de transfer a sistemelor

Orice subsistem poate fi reprezentat ca un bloc simplu, cu o intrare și ieșire așa cum se arată. În general, intrarea este desemnată ca θi și ieșirea ca θo. Raportul ieșirii față de intrare reprezintă câștigul (G) al subsistemului și este, prin urmare, definit ca: G = θo/θi.

În acest caz, G reprezintă funcția de transfer a sistemului sau a subsistemului. Atunci când se discută sistemele electronice în termenii funcției lor de transfer, se folosește operatorul complex s, deci ecuația pentru câștig este rescrisă astfel: G(s) = θo(s)/θi(s).

Rezumat Sistem electronic

Am văzut că un sistem electronic simplu constă din intrare, un proces, ieșire și, eventual, un feedback. Sistemele electronice pot fi reprezentate utilizând diagrame bloc interconectate, unde liniile dintre fiecare bloc sau subsistem reprezintă atât fluxul, cât și direcția unui semnal prin sistem.

Diagramele bloc nu trebuie să reprezinte un singur sistem simplu, dar pot reprezenta sisteme foarte complexe, realizate din mai multe subsisteme interconectate. Aceste subsisteme pot fi conectate împreună în serie, paralel sau combinații ale ambelor, în funcție de fluxul semnalelor.

De asemenea, am văzut că semnalele și sistemele electronice pot fi de natură continuă sau discrete în timp și pot fi analogice, digitale sau ambele. Buclele de feedback pot fi utilizate pentru a mări sau a reduce performanțele unui anumit sistem prin asigurarea unei mai bune stabilități și a unui control mai bun. Controlul este procesul de a face o variabilă a sistemului să adere la o anumită valoare, numită valoare de referință.

În următorul tutorial despre sistemele electronice, vom analiza tipuri de sisteme electronice de control numite Sistem cu buclă deschisă care generează un semnal de ieșire y(t) pe baza valorilor prezente de intrare și, ca atare, nu monitorizează ieșirea sau face ajustări bazate pe starea de ieșire a sa.