전자 시스템
전자 시스템은 다양한 양의 정보를 함께 수집하는 구성 요소 또는 부품의 물리적 상호 연결입니다.
전자 시스템은 이 정보에 어떤 방식으로든 반응한 다음 출력 동작의 형태로 전기 에너지를 사용하여 물리적 프로세스를 제어하거나 신호에 대한 일부 유형의 수학적 연산을 수행하는 센서와 같은 입력 장치의 도움으로 이를 수행합니다.
그러나 전자 제어 시스템은 원하는 시스템 응답을 제공하기 위해 하나의 신호를 다른 신호로 변환하는 프로세스로 간주될 수도 있습니다. 그렇다면 간단한 전자 시스템은 입력, 프로세스, 출력으로 구성되며 시스템에 대한 입력 변수와 시스템의 출력 변수는 모두 신호라고 말할 수 있습니다.
예를 들어 수학적으로, 설명적으로, 그림으로, 도식적으로 시스템을 표현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 전자 시스템은 일반적으로 일련의 상호 연결된 블록 및 신호로 개략적으로 표현되며 각 블록에는 자체 입력 및 출력 세트가 있습니다.
결과적으로, 가장 복잡한 전자 제어 시스템이라도 단순한 블록의 조합으로 표현될 수 있으며, 각 블록은 개별 구성 요소나 완전한 하위 시스템을 포함하거나 나타냅니다. 전자 시스템이나 프로세스 제어 시스템을 상호 연결된 여러 블록이나 상자로 표현하는 것을 일반적으로 "블록 다이어그램 표현"이라고 합니다.
간단한 전자 시스템의 블록 다이어그램 표현
전자 시스템에는 입력 과 출력이 모두 있으며 , 입력을 처리 하여 출력이 생성됩니다 . 또한 입력 신호로 인해 프로세스가 변경되거나 그 자체로 시스템 작동이 변경될 수 있습니다. 따라서 시스템에 대한 입력은 변경의 "원인"이고, 이 원인으로 인해 시스템 출력에 발생하는 결과 동작을 "효과"라고 하며, 결과는 원인의 결과입니다. .
즉, 전자 시스템은 입력과 출력 사이에 직접적인 관계가 있기 때문에 본질적으로 "인과적"으로 분류될 수 있습니다. 전자 시스템 분석 및 프로세스 제어 이론은 일반적으로 이러한 원인 및 결과 분석을 기반으로 합니다 .
예를 들어 오디오 시스템에서 마이크(입력 장치)는 증폭기가 증폭할 수 있도록 음파를 전기 신호로 변환하고(프로세스) 확성기(출력 장치)는 구동 효과로 음파를 생성합니다. 증폭기 전기 신호.
그러나 전자 시스템은 단순하거나 단일 작동일 필요는 없습니다. 또한 동일한 전체 시스템 내에서 모두 함께 작동하는 여러 하위 시스템의 상호 연결일 수도 있습니다.
예를 들어 오디오 시스템에는 CD 플레이어, DVD 플레이어, MP3 플레이어 또는 라디오 수신기를 모두 동일한 증폭기에 대한 여러 입력으로 연결하여 하나 이상의 스테레오 또는 홈 시어터 유형 세트를 구동할 수 있습니다. 서라운드 스피커.
그러나 전자 시스템은 단순히 입력과 출력의 집합일 수 없으며 단순히 스위치를 모니터링하거나 조명을 "켜기" 위한 것일지라도 "무언가를 수행"해야 합니다. 우리는 센서가 실제 측정값을 감지하거나 전자 신호로 변환하여 처리할 수 있는 입력 장치라는 것을 알고 있습니다. 이러한 전기 신호는 회로 내의 전압 또는 전류 형태일 수 있습니다. 반대편 또는 출력 장치는 처리된 신호를 일반적으로 기계적 움직임의 형태로 일부 작업이나 동작으로 변환하는 액추에이터라고 합니다.
전자 시스템의 종류
전자 시스템은 연속시간(CT) 신호 또는 이산시간(DT) 신호에서 작동합니다. 연속시간 시스템은 연속시간 신호를 생성하는 시간이 지남에 따라 "계속"되는 아날로그 신호와 같이 입력 신호가 시간 연속체를 따라 정의되는 시스템입니다.
그러나 연속시간 신호는 크기가 다양할 수도 있고 기간 T 에 따라 본질적으로 주기적일 수도 있습니다 . 결과적으로 연속 시간 전자 시스템은 일정 기간 동안 참조되는 입력 및 출력 신호를 모두 사용하여 선형 작업을 생성하는 순전히 아날로그 시스템인 경향이 있습니다.
예를 들어, 방의 온도는 두 값 또는 설정점(예: 추운 곳에서 더운 곳으로 또는 월요일부터 금요일까지) 사이에서 측정할 수 있는 연속 시간 신호로 분류될 수 있습니다. 시간 t 에 대한 독립 변수를 사용하여 연속시간 신호를 나타낼 수 있습니다 . 여기서 x(t)는 입력 신호를 나타내고 y(t) 는 시간 t 기간에 대한 출력 신호를 나타냅니다 .
일반적으로 우리가 사용할 수 있는 물리적 세계에 존재하는 대부분의 신호는 연속 시간 신호인 경향이 있습니다. 예를 들어 전압, 전류, 온도, 압력, 속도 등이 있습니다.
반면, 이산 시간 시스템은 입력 신호가 연속적이지 않고 "이산" 시점에 정의된 일련의 신호 값인 시스템입니다. 그 결과 일반적으로 일련의 값이나 숫자로 표시되는 이산시간 출력이 생성됩니다.
일반적으로 이산 신호는 이산 간격, 값 또는 동일한 간격의 시점에서만 지정됩니다. 예를 들어 방의 온도는 오후 1시, 오후 2시, 오후 3시, 다시 오후 4시에 측정되며 이 지점 사이(예: 오후 1시 30분 또는 오후 2시 45분) 사이의 실제 실내 온도를 고려하지 않습니다.
그러나 연속시간 신호 x(t) 는 이산 간격 또는 "시간의 순간"에서만 이산 신호 세트로 표시될 수 있습니다. 이산 신호는 시간에 대해 측정되지 않고 대신 이산 시간 간격으로 표시됩니다. 여기서 n 은 샘플링 간격입니다. 결과적으로 이산시간 신호는 일반적으로 입력을 나타내는 x(n) 과 출력을 나타내는 y(n) 로 표시됩니다.
그런 다음 시스템의 입력 및 출력 신호를 신호로 각각 x 및 y 로 표시할 수 있습니다. 또는 신호 자체는 일반적으로 연속 시스템의 시간을 나타내는 변수 t 와 정수 값을 나타내는 변수 n 으로 표시됩니다. 그림과 같이 개별 시스템의 경우.
연속시간 및 이산시간 시스템
시스템의 상호 연결
전자 시스템과 블록 다이어그램 표현의 실용적인 측면 중 하나는 직렬 또는 병렬 조합으로 함께 결합하여 훨씬 더 큰 시스템을 형성할 수 있다는 것입니다. 많은 대규모 실제 시스템은 여러 하위 시스템의 상호 연결을 사용하여 구축되며 블록 다이어그램을 사용하여 각 하위 시스템을 표현함으로써 분석되는 전체 시스템의 그래픽 표현을 구축할 수 있습니다.
하위 시스템이 결합되어 직렬 회로를 형성하는 경우 y(t) 의 전체 출력은 하위 시스템이 함께 계단식으로 연결된 것처럼 입력 신호 x(t) 의 곱셈과 동일합니다 .
직렬 연결 시스템
직렬 연결된 연속시간 시스템의 경우, 첫 번째 하위 시스템 "A" 의 출력 신호 y(t) 는 두 번째 하위 시스템의 입력 신호가 되고, 그 출력은 세 번째 하위 시스템 " C " 의 입력이 됩니다 . A x B x C 등을 제공하는 시리즈 체인을 통해 계속됩니다 .
그런 다음 원래 입력 신호는 직렬 연결된 시스템을 통해 계단식으로 연결되므로 두 개의 직렬 연결된 하위 시스템의 경우 등가 단일 출력은 시스템의 곱셈과 동일합니다. 즉, y(t) = G 1 (s) x G 2 ( 들) . 여기서 G는 서브시스템의 전달 함수를 나타냅니다.
시스템의 "전달 함수"라는 용어는 시스템 입력과 출력 또는 출력/입력 사이의 수학적 관계를 의미하고 정의되므로 시스템의 동작을 설명합니다.
또한 직렬 연결된 시스템의 경우 직렬 작업이 수행되는 순서는 입력 및 출력 신호와 관련하여 중요하지 않습니다. G 1 (s) x G 2 (s) 는 G 2 (s) 와 동일합니다 . x G 1 (s) . 간단한 직렬 연결 회로의 예로는 증폭기에 신호를 공급하는 단일 마이크와 스피커를 들 수 있습니다.
병렬 연결된 전자 시스템
병렬 연결된 연속시간 시스템의 경우 각 하위 시스템은 동일한 입력 신호를 수신하고 개별 출력을 합산하여 전체 출력 y(t) 를 생성합니다 . 그러면 두 개의 병렬 연결된 서브시스템의 경우 등가 단일 출력은 두 개의 개별 입력의 합이 됩니다. 즉, y(t) = G 1 (s) + G 2 (s) 입니다 .
간단한 병렬 연결 회로의 예로는 믹싱 데스크에 입력되는 여러 개의 마이크가 차례로 앰프와 스피커 시스템에 입력될 수 있습니다.
전자 피드백 시스템
제어 시스템에서 광범위하게 사용되는 또 다른 중요한 시스템 상호 연결은 "피드백 구성"입니다. 피드백 시스템에서는 출력 신호의 일부가 "피드백"되어 원래 입력 신호에 더해지거나 뺍니다. 결과적으로 시스템의 출력은 안정성을 향상시키기 위해 시스템의 응답을 수정하려는 목적으로 입력을 지속적으로 변경하거나 업데이트합니다. 피드백 시스템은 그림과 같이 일반적으로 "폐쇄 루프 시스템"이라고도 합니다.
폐쇄 루프 피드백 시스템
피드백 시스템은 대부분의 실제 전자 시스템 설계에서 시스템을 안정화하고 제어력을 높이기 위해 많이 사용됩니다. 피드백 루프가 원래 신호의 값을 감소시키는 경우 피드백 루프를 "음의 피드백"이라고 합니다. 피드백 루프가 원래 신호의 값에 추가되면 피드백 루프를 "포지티브 피드백"이라고 합니다.
간단한 피드백 시스템의 예로는 가정의 온도 조절식 난방 시스템을 들 수 있습니다. 집이 너무 더우면 피드백 루프가 난방 시스템을 "OFF"하여 더 시원하게 만듭니다. 집이 너무 추우면 피드백 루프가 난방 시스템을 "켜서" 따뜻하게 만듭니다. 이 경우 시스템은 난방 시스템, 공기 온도 및 온도 조절식으로 제어되는 피드백 루프로 구성됩니다.
전자 시스템의 전달 함수
모든 하위 시스템은 그림과 같이 입력과 출력이 있는 간단한 블록으로 표현될 수 있습니다. 일반적으로 입력은 θi 로 지정되고 출력은 θo 로 지정됩니다 . 입력 대비 출력 비율은 하위 시스템의 이득( G )을 나타내므로 다음과 같이 정의됩니다. G = θo/θi
이 경우 G는 시스템 또는 하위 시스템의 전달 함수를 나타냅니다 . 전달 함수 측면에서 전자 시스템을 논의할 때 복소 연산자 s가 사용되며 이득 방정식은 다음과 같이 다시 작성됩니다. G(s) = θo(s)/θi(s)
전자 시스템 요약
우리는 간단한 전자 시스템이 입력, 프로세스, 출력 및 피드백으로 구성되어 있음을 살펴보았습니다. 전자 시스템은 각 블록이나 하위 시스템 사이의 선이 시스템을 통과하는 신호의 흐름과 방향을 모두 나타내는 상호 연결된 블록 다이어그램을 사용하여 표현될 수 있습니다.
블록 다이어그램은 단순한 단일 시스템을 나타낼 필요는 없지만 상호 연결된 여러 하위 시스템으로 구성된 매우 복잡한 시스템을 나타낼 수 있습니다. 이러한 하위 시스템은 신호 흐름에 따라 직렬, 병렬 또는 두 가지의 조합으로 함께 연결될 수 있습니다.
우리는 또한 전자 신호와 시스템이 본질적으로 연속시간 또는 이산시간일 수 있으며 아날로그, 디지털 또는 둘 다일 수 있음을 살펴보았습니다. 피드백 루프는 더 나은 안정성과 제어를 제공하여 특정 시스템의 성능을 높이거나 낮추는 데 사용할 수 있습니다. 제어는 시스템 변수가 참조 값이라고 하는 특정 값을 준수하도록 만드는 프로세스입니다.
전자 시스템 에 대한 다음 튜토리얼에서는 현재 입력 값을 기반으로 출력 신호 y(t) 를 생성하고 출력을 모니터링하거나 생성하지 않는 개방 루프 시스템이라는 전자 제어 시스템 유형을 살펴보겠습니다. 출력 상태에 따라 조정됩니다.