זיהוי אותות עם בלוק דיאגרמות

דיאגרמות בלוק הן כלים חיוניים בהנדסה ואלקטרוניקה לדמיון כיצד אותות עוברים דרך מערכת.על ידי הסרת תהליכים מורכבים לפשוט, בלוקים מקושרים, דיאגרמות אלה מאפשרות למהנדסים ולסטודנטים לנתח, עיצוב ומערכות לפתרון בעיות עם בהירות ויעילות. מאמר זה מספק חקירה מקיפה של זרימת אותות באמצעות דיאגרמות בלוקים, כיסוי רכיבי ליבה, טכניקות מתקדמות, יישומים בעולם האמיתי, ושיטות הטובות ביותר בין אם אתה חדש אלקטרוניקה או מערכות בקרה חיוניות עבור זיהוי שיטות בקרה, הוא שיטות בקרה.

מה הם חוסמים דיאגרמות?

(ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מקורות דיאגרמות בלוקים חוזרים לימים הראשונים של תורת הבקרה וההנדסה החשמלית. בשנות ה-40, מהנדסים שעובדים על סרומניזם ומגברי משוב החלו להשתמש בתרשיםים כדי לייצג משוואות שונות ולהעביר פונקציות. במהלך העשורים, שיטה זו התפתחה לתנוחה סטנדרטית אשר נלמדת כעת כמעט בכל תוכנית לימודים מבוא.

ישנם סוגים נפוצים של דיאגרמות בלוק המשמשים בפועל:

(FLT:0Functionalblock דיאגרמות (FBDigtureFLT) 1:1 - להתמקד בתפקיד של כל בלוק (למשל, מגבר, מסנן, בקר) ללא פירוט של מעגלים פנימיים.
(FLT:0) דיאגרמות בלוק קונפטימיות של בלוקים:1) - בשימוש בשלבי עיצוב מוקדמים כדי להמחיש את זרימת הדרג גבוה ממשקי המערכת.
(FLT:0) הקצאת הפונקציה לחסום דיאגרמות FLT:1 - כל בלוק מודבק עם פונקציה העברה (יחס מתמטי של פלט לקלט בתחום Laplace). אלה משמשים נרחב עבור מערכות זמן ליניארית (LTI).
(FLT:0 גרפים זרימה שפירים גרף 1FLT) - צורה כללית יותר שיכולה לייצג מספר מסלולים ולופות עם צמתים (נקודות) ונקודות מכוונות לעתים קרובות בשילוב עם הנוסחה של מייסון.

המונחים: ablock Diagram

כל דיאגרמת בלוק, ללא קשר למטרה שלה, חולקת קבוצה של אבני בניין בסיסיות.הבנת האלמנטים האלה חיונית לפירוש נכון ויצירת דיאגרמות.

בלוקים

(FLT:0)blockveFLT:1 מייצג יחידת פונקציונלית או תת-מערכת. בתוך הבלוק, המהנדס רשאי להציב תיאור (למשל, "מגבר"), פונקציה העברה (למשל, $G(s) =\fracfracfracfracère {s+1} בהקשר של שליטה), או תווית המציין את הרכיב יכול להיות פשוט כמו רווח טיפוסי על ידי פולאגרה מסוימת על ידי חסימה מסוימת, או על ידי חסימה מסוימת.

חץ וקווי אותות

(FLT:0ArrowsphFLT:1) מציין את הכיוון של זרימת האותות.השורה עצמה מייצגת נתיב שבו אות נע בין בלוקים.חשוב לציין כי קווים אלה הם חד-צדדיים: אותות נעים רק בכיוון של החץ. במערכות מרובות-פורט, קו עשוי לשאת אותות מרובים (למשל, וקטור של ערכים), אך דיאגרמה עדיין משתמשת בכיוון של חץ יחיד.

נקודות סוינגס (Comparators)

במערכות עם משוב או קלטות מרובות, נקודה מקוצרת:0summing PointFLT:1 (לעתים קרובות נמשך מעגל עם צלב בתוך) משלב אותות. על ידי אמנה, סימן נוסף ((+)\) מציין תוספת, וסימן מינוס (((-)\) מציין התייחסות תת-התמסוג של הנקודה המרשימה הוא הסכום אלגברי (או ההבדל) של אותות השגיאה סגורה על ידי .

נקודות Takeoff (נקודות משחק)

(ב) ,0 ,takeoff PointFLT:1 הוא שם אות הוא נצמד קו כדי לשלוח למיקום אחר.זה נראה כמו עיגול קטן או קטן על הקו.זה מאפשר לאותו אות להיות מוזן ל בלוקים מרובים או לנתיב משוב.

פריטים ו-Outputs

לכל דיאגרמת בלוק יש לפחות אחד (FLT:0) [inputerph: 1] (בדרך כלל גירוי חיצוני או פקודה) ואחדFLT:2:2 ⁇ FLT:3 (תגובת המערכת) פריטים נמשכים בדרך כלל כחץ נכנס הדיאגרמה מן השמאל, בעוד הפלט מימין.

כיצד אותות Flow Works

זרימת אותות היא התנועה של כמות פיזית (מתח, זרם, לחץ, קצב זרימה וכו ') דרך המערכת, להיות משתנה בכל בלוק.ב בתרשיםים בלוקים, החץ ממפה במפורש את הרצף הזה.כיוון זרימת הדם נקבע, ואת סדר בלוקים קובע את סדר העיבוד.

דוגמה: מערכת אדפרציה פשוטה של אודיו

שקול מערכת כיסוי ציבורי בסיסית: מיקרופון, מגבר, ורמקול, בואו נבנה את גרף הבלוק צעד אחר צעד.

(ב) ויקרא: ויקרא י"א): "המיקרופון ממיר את הצליל (לחץ אקוסטי) לאות חשמלי.
(ב) [17]הההתערות: 1FLT: האות החשמלי מן המיקרופון חלש ויש להגבר על בלוק שכותרתו "מגבר (Gain=100)" מקבל את האות.
(ב) ויקרא י"א): "האות המוגברות מניע את הרמקול, אשר ממיר את האנרגיה החשמלית חזרה לקול.

צייר חץ מהבלוק המיקרופון לבלוק המגבר, ועוד חץ מהמגבר לרמקול.זה הנתיב האות המלא.אגרמה פשוטה זו מבהירה שהאות זורם באופן ליניארי מהקלט לפלט ללא לולאות משוב.

הוספת Feedback

במערכות בעולם האמיתי רבות, משוב חיוני ליציבות ודיוק.לדוגמה, במערכת בקרת טמפרטורה, הממתאם מודד את טמפרטורת הפלט ושולח את הערך הזה בחזרה לנספח שמרחיק אותו מהנקודה הרצויה.אות השגיאה ואז מניע אות הבנה של לולאה חסם עבור מערכת מחסנית סגורה כזו יכלול נקודה מסכמת (לשלב את השגיאה), בקר (אובכוחו של תא המטען) לאחר חסימה (אובבית).

תגית: Signal Flow Graph Perspective

עבור מערכות עם קישורים מרובים ונתיבי משוב רבים, דיאגרמות בלוק מסורתיות יכול להיות cluttered. AFLT:0signal זרימה גרף (SFG) IRLT:1 מציע ייצוג קומפקטי יותר.ב SFG, nodes מייצגים משתנים (signals), וענפים מכוונים מייצגים את הפונקציה ההעברה בין nodes.s להשיג לאחר מכן מספק דרך שיטתית כדי לשתף פעולה כוללת של מהנדסים לתוך פונקציה של שימוש זה.

המונחים: transfer Functions and Block Diagram Reduction

כדי לנתח את ההתנהגות של מערכת, אנו מקשרים את הפונקציה של תפוצה:0 (העברה הפונקציה 1:1 עם כל בלוק.פונקציה היא שינוי הפלט של הפלט מחולק על ידי קלטו, בהנחה אפס תנאים ראשוניים.כאשר בלוקים מחוברים בסדרה, מקבילה, או עם לולאות משוב, את הפונקציה ההעברה הכוללת ניתן להסיק באמצעות תהליך הנקרא: FLT2blockmental:

הורדת תרשים בלוק משתמשת בחוקים אלגברהיים כדי לפשט את הדיאגרמה לבלוק יחיד.כללי מפתח כוללים:

חיבור (FLT:0Series (אקדמי): חסימה 1:1 בסדרה מכפילה את פונקציות ההעברה שלהם: (T(s) = G 1(s) / cdot G 2(s)\).
(FLT:0) חיבור של תהילים:FLT:1blocks במקביל להוסיף את פונקציות ההעברה שלהם: (T(s) = G 1(s) + G 2(s)\).
(FLT:0) ,FLT:1 עבור לולאה משוב שלילי, הפונקציה העברת ה-loop סגורה היא /(T(s) = / frac(G(s)} .H(s)} ; שבו (G(s)\) הוא הנתיב קדימה ו / (H(s)\) הוא הנתיב.

כללים אלה יכולים להיות מיושם שוב ושוב כדי להפחית אפילו דיאגרמות מורכבות.טכניקות הפחתת מאסטרינג הוא מיומנות הליבה בהנדסה שליטה. משאבים חיצוניים כגון FLT:0Control Tutorials עבור MATLAB ו- SimulinkFLT 1 לספק תרגילים אינטראקטיביים אשר מחזקים מושגים אלה.

מערכות לא לינאריות ושעה -

בעוד דיאגרמות בלוק משמשות באופן מסורתי עבור מערכות ליניאריות, הם יכולים לייצג גם את רכיבי FLT:0 (non LimirFLT:1 ו-FLT:2time-varyingFLT 3 על ידי התווית של בלוקים עם פונקציות תיאוריות או שימוש בסימון מיוחד.עם זאת, ניתוח הופך להיות מעורב יותר ולעתים דורש סימולציה ולא פשוטה של מניפולציה אלגברה.

יישומים ברחבי הנדסה משמעת

דיאגרמות בלוק אינן מוגבלות לאלקטרוניקה; הן מופיעות ברחבי הנדסה.למטה הן מספר תחומים שבהם ייצוג זרימת האותות הוא הכרחי.

מערכות בקרה

כמעט כל ספרי לימוד מערכת בקרה מתחילים עם דיאגרמות בלוקים.מבקרת השייט במכוניות במערכות טייס אוטומטי במטוס, לחסום דיאגרמות עוזר למהנדסים לדמיין את ארכיטקטורת משוב.הלאה השלילית הסטנדרטית עם קלט, בקר, צמח, חיישן, ונספח הוא התבנית עבור אינספור עיצובים בעולם האמיתי.אגרמת בלוק מנסיגה היטב מגלה מיד בעיות יציבות (למשל, חיובי, שבו סימנים מינוס) ואפקטים חסרים) עבור עיצוב לולאות חזקות עבור עיצובים חזקים של משוב מעצבי ביצועים.

עיבוד אודיו וסיגנל

מהנדסי אודיו משתמשים בתרשיםים כדי לעצב מעבדים, מערבולים, ומגברים.לדוגמה, שרשרת pedal אפקטים יכול להיות מיוצג כמו בלוקים: דחיסה (Overdrive) שווה עיכובים) כל בלוק משנה משנה משנה את אות השמע באופן ספציפי. הבנת אותות מאפשר למוזיקאים ומהנדסים לחזות את ההשפעה של תיקון אלגוריתמים או הוספת תוספת של משוב עבור מעבד סינון עצמי (אפקטים) לעתים קרובות.

מערכות תקשורת

בתקשורת אלחוטית מודרנית, דיאגרמות בלוק ממחישות את רשתות השידור והמקבלים.מעביר טיפוסי כולל בלוקים עבור מקור קידוד, ערוץ קידוד, התאמה והעצמה כוח, בעוד המקלט הופך את השלבים האלה עם בלוקים עבור סינון, הדגמה, דריסה, דריסה ותיקון שגיאות פלסמה של אותות במערכות אלה הוא דו-כיוני במובן של תקשורת מורכבת, אבל כל אחד מהם הוא בכיוון נמשך בנפרד: חסימה של מערכת ההפעלה:0-אופטיקה של מערכת ההפעלה.

חשמל אלקטרוניקה

ממירי חשמל, מופנים וכוננים מוטוריים מיוצגים לעתים קרובות עם דיאגרמות בלוקים.לדוגמה, מעכב שלושה-phase נהיגה מנוע אינדוקציה יכול להישבר לתוך בלוקים: מקור DC (גשר מונע) גשר הדופק (pWM) בקר על עומס מנוע (pWM) עומס מנוע) .הנתיב המשוב כולל לעתים קרובות חיישנים נוכחיים ליישום שליטה הנוכחית.

פיתוח תוכנה ועיצוב מערכת

מעבר לחומרה, דיאגרמות בלוק משמשים בארכיטקטורה תוכנה כדי לייצג זרימת נתונים בין מודולים. בתרשיםי זרימת נתונים (DFDs), תהליכים מיוצגים כעיגולים או מלבנים, ומאגרי נתונים מתוארים עם מלבנים פתוחים.חץים מראים את התנועה של קלטי נתונים ופלטים.זה נפוץ במיוחד במערכות משובצות שבו תוכנות אינטראקציה ישירות עם חיישנים ופעולות. בעוד לא זהה לבלוקאגרמות, זהה של נתונים (ה) הוא נפוץ במיוחד במערכות משובצת (ה) זההקודמת אותות) של אותו הדבר נפוץ במיוחד במערכות משובצים.

הגבלות ועיסוקים טובים

למרות הכוח שלהם, דיאגרמות בלוק יש מגבלות.הם יכולים להיות לא רצויים כאשר נמשכים עבור מערכות עם מאות רכיבים, והם עשויים להגביר את הפרטים הקריטיים כגון רעש, אפקטים טעינה, או התנהגות לא ליניארית.יתר על כן, דיאגרמת בלוק גרועה יכולה להטעות את הצופה אם כיוונים אות הפוכה או אם נתיבי משוב הם מתוייגים בצורה לא נכונה.

(FLT:0) מחיקה עקבית: FLT:1 אימוץ סמלים סטנדרטיים עבור נקודות סיכום, נקודות ההמראה, ובלוקים.זה הופך דיאגרמות להעברה על פני קבוצות ופרסומים.
(ב) כתוב שם משתנה או כמות פיזית ליד כל קו (למשל, (v {in)); ((e(t))\),$y(s)$)))))) זה מבהיר מה מועבר.
(FLT:0) קווי מעבר:FLT:1 , ⁇ כדי להימנע חצים חצויים, אשר להפחית את יכולת הקריאה.אם מעברים הם בלתי נמנעים, השתמש בקשתות "jump" (חצי קשתות) כדי לציין את המעבר.
(ב) ,0) ,האגדה: 1FLT:1 עבור דיאגרמות מורכבות, כולל אגדה קצרה המגדירה סמלים לא סטנדרטיים או קיצורים.
(FLT:0)Validate עם סימולציה:FLT:1IR תמיד לאמת את ההתנהגות הצפויה של דיאגרמה בלוק כנגד סימולציה או ניסוי פיזי.אגרמת שציירה באופן מושלם פונקציה של העברה לא מופרעת יכולה להוביל למסקנות לא נכונות.

בנוסף, מהנדסים צריכים להיות מודעים ההבדלים בין דיאגרמות בלוק לניתוח לעומת אלה ליישום:0A 1964 IEEE נייר על חסימת דיאגרמה AlgebraveFLT:1 (זמין באמצעות IEEE Xplore) נשאר התייחסות קלאסית למניפולציה מתמטית קפדנית.

מסקנה

ייצוג זרימת אותות באמצעות דיאגרמות בלוק הוא מיומנות בסיסית כי מתעלה דיסציפלינות. על ידי פירוק מערכת לרכיבים פשוטים, מחוברים, בלוק דיאגרמות מעצימות מהנדסים לנתח אינטראקציות מורכבות, בקרים עיצוב ומגברי, ולתקשר רעיונות ביעילות.מממגבר אודיו צנוע לטייסי רכב מתוחכם, היכולת לקרוא ולארגן דיאגרמות הנדסיות היא סימן של מהנדס מנוסה של טכניקה זו, זוג עם הבנה של בעיות עיבוד אמיתי, ואפקטיביות, עם ריצוף זמן, עם ריצוף, עם סימולציה של תהליכי עיבוד, ואפקטיביות, יכולת עיבוד, ואפקטים, יכולת עיבוד של שיטות פעולה, ואפקטיביות, ואפקטיביות של סימולציה של שיטות עיבוד אמיתי, עם סימולציה של שיטות עיבוד, עם סימולציה של תהליכי עיבוד, יכולת עיבוד, ואפקטיביות, עם סימולציה של שיטות חשיבה עמוקה יותר, ואפקטיביות, עם סימולציה של שיטות פעולה, ואפקטיביות, עם סימולציה של שיטות עיבוד של מערכת מדידה, עם סימולציה של תהליכי עיבוד בזמן אמתית זמן, עם סימולציה של תהליכי עיבוד, ואפקטיביות, סימולציה של שיטות פעולה, עם סימולציה של שיטות פעולה, סימולציה של שיטות פעולה, סימולציה של שיטות פעולה, סימולציה של