ФОРМЫ представления детерминированных сигналов

Предмет и задачи дисциплины

Трудно назвать сейчас отрасль промышленности или область науки, в которой не применялась бы или не могла быть применена электроника.

Электроника делится на физическую и техническую.

Физическая электроника изучает физические явления в приборах, действие которых основано на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах

.Техническая электроника изучает:

а) электрические свойства, характеристики и параметры названных видов приборов, а также режимы работы электрических цепей, которые содержат эти приборы;

б) свойства комплексных электронных систем.

 

Главными областями современного развития технической электроники являются:

1) радиоэлектроника, обслуживающая все виды связи (радиовещание, телевидение, радиолокацию, радионавигацию, радиоастрономию и др.);

2) промышленная электроника, обслуживающая различные виды техники электронными устройствами измерения, контроля, регулирования, защиты и других видов управления; к промышленной электронике относятся также электронные системы преобразования тока, широко применяемые в энергетических установках и электрическом транспорте;

3) ядерная электроника, охватывающая область, связанную с изучением процессов получения и использования ядерных частиц и радиоактивных излучений, которые возникают при перестройке или распаде ядра;

4) биологическая электроника, использующая электронные явления и электронную аппаратуру для проведения биологических исследований и особенно широко развивающаяся в настоящее время в медицине (медицинская электроника).

Можно назвать и ряд других областей (геология, химия и др.), в которых широко применяются электронные устройства и системы.

 

В промышленной электронике развились такие направления:

1) информационная электроника, к которой относятся электронные системы, связанные с процессами измерения, контроля и управления режимами работ промышленных объектов и технологических процессов;

2) энергетическая электроника, к которой относятся установки средней и большой мощностей, применяемые для преобразования одного вида тока в другой; удельный вес таких установок в энергетическом балансе страны очень велик, поскольку системы пре образования тока применяются в установках электролиза цветных металлов и солей, в электрифицированном транспорте, в промышленных электроприводах, грузоподъемных устройствах, а также в системах передачи энергии постоянным током на большие расстояния;

3) электронная технология, использующая электронные и ионные пучки, а также электромагнитные и звуковые колебания (в первую очередь ультразвуковые) для воздействия на вещество с целью создания пленок и совершенствования технологических процессов; это быстро развивающееся направление.

Электронные системы

Функционально и конструктивно законченные средства, предназначенные для получения, обработки, использования информации с целью управления объектами и процессами, отображения состояния объекта, связи его с другими управляющими средствами называют электронными промышленными устройствами. Они в свою очередь являются подсистемами электронных систем управления более высокого уровня.

В настоящее время большое внимания уделяется проектированию электронных систем сбора и первичной обработки информации. Для электронных цифровых систем характерны высокая скорость измерения параметров, удобная форма представления информации, гибкий интерфейс, меньшая погрешность измерений.

Одна важнейших задач управления — регулирование состояния объектов. Это требует последовательности выполнения операций, основными из которых являются:

а) получение сведений о состоянии объекта или процесса;

б) получение извне командных воздействий, определяющих требуемое состояние объекта или процесса;

в) обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта или процесса в заданное состояние;

г) формирование управляющих воздействий, которые с помощью исполнительных органов изменяют режим работы объекта.

Часто приходится управлять не одним, а группой объектов, которые поочередно опрашиваются и для них формируются управляющие воздействия по индивидуальным алгоритмам.

Использование микроконтроллеров в изделиях электроники не только приводит к повышению технико-экономических показателей, но и позволяет сократить время на разработку изделий и делает их более гибкими, адаптивными.

Система

Система - объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе.

Основой понятия «система» является наличие связей между объединяемыми в систему элементами, определяемых некоторой общей закономерностью. Характеристики системы определяются:

- характеристиками составляющих систему элементов;

- характеристиками связей между ними.

Системы управления обладают общим свойством — стремлением достичь некоторой цели. Существование цели определяет общие для всех элементов целенаправленные правила взаимосвязей обуславливающие целенаправленность системы в целом.

В дальнейшем будем использовать более близкое нашим задачам определение системы.

Система — целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Общим свойством, объединяющим элементы в систему, является в данном определении их направленность на достижение цели.

Понятие системы ограничивает некоторое множество элементов, входящих в систему; проводит условную замкнутую границу, за пределами которой остаются не вошедшие в нее элементы. Система существует не сама по себе, а в окружении множества других элементов. Нас интересуют не все элементы этого внешнего множества, а только имеющие какое-либо отношение к рассматриваемой системе, составляющие именно для нее внешнюю среду.

Внешняя среда

Внешняя среда - множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием в условиях рас­сматриваемой задачи.

Чтобы элемент внешней среды мог влиять на систему или испытывать ее влияние, необходима связь, взаимодействие этого элемента с системой в целом или отдельными ее элементами, что вносит известную неопределенность при локализа­ции системы. Невозможно исследовать или проектировать объект, границы которого не определены. От правильности определения границ зави­сят не только выполняемые функции, эффективность и качество системы, но иногда сама возможность ее исследования и проектирования.

В любой реальной системе число всех существующих взаимосвязей чрезвычайно велико, так что учесть и исследовать абсолютно все связи практически невозможно, поэтому их число приходится ограничивать. Вместе с тем учитывать все возможные связи нецелесообразно, так как среди них есть много несущественных, практически не влияющих на функционирование системы и качество получаемых решений.

Таким образом, задача исследователя - выделить существенные для рассматриваемой системы связи и отделить их от маловажных. Объективно и однозначно выполнить такое разде­ление возможно только при наличии соответствующего формально­го правила или способа. К сожалению, на современном уровне развития науки управления такой формальный аппарат недостаточно эффективен, так как отсутствуют способы объективного решения предшествующей задачи — что вообще существенно для данной системы: какие функции, факторы и параметры должна решать дан­ная система. Разумеется, речь идет об отсутствии строгих математических методов. Для определения границ системы, выделения существенных взаимосвязей используют формализованные методики, руководящие методические материалы, наконец, типовые проекты систем, которые будут далее рассмотрены. Если заданы цель систе­мы, решаемые задачи, алгоритмы функционирования, задача суще­ственно облегчается. Однако большое разнообразие систем, нали­чие практически для каждой конкретной системы индивидуальных, специфических особенностей приводит к тому, что разработчику самому приходится решать, какие связи считать существенными для данной системы. Это относится к принципиально новым системам, не имеющим аналогов.

При недостаточном знакомстве с системой, неизбежном на начальных этапах разработки, исследователь может либо исключить, как маловажные, существенные связи, либо включить в рассмотре­ние связи, практически не влияющие на работу системы. В процессе детальной разработки выясняется, что на работу систе­мы в сильной степени влияют такие связи, существование которых трудно было выявить на начальных этапах исследования.

Если, по мнению разработчика, установленному в результате анализа системы, изменение характеристик данной связи, ее ис­ключение или полный разрыв приводят к значительному ухудшению работы, снижению эффективности достижения цели, то такая связь считается существенной. По мере расширения и уточнения знаний о системе, составления все более точной ее модели исследователь должен вновь и вновь возвращаться к вопросу о границах системы, взаимосвязях между ее элементами и с внешней средой, корректируя первоначальное представление. Чем выше сте­пень индивидуальности разрабатываемой системы, тем реальнее возможность значительных корректировок первоначального представления в ходе разработки.

По степени связи с внешней средой различают системы замкнутые (или изолированные) и открытые.

Замкнутая и открытая системы

 

Замкнутой называют систему, любой элемент которой имеет связи только с элементами самой системы.

 

Замкнутая система не имеет связей с внешней средой, ее элементы взаимодействуют только друг с другом, внутри системы. Замкнутая система - абстракция, реально таких систем не существует. Однако это понятие является полез­ным для исследования систем.

 

Открытой называют систему, у которой хотя бы один элемент имеет связь с внешней средой.

 

Все реальные системы связаны с внешней средой, поэтому являются открытыми. Даже в абстрактной замкнутой системе предполагается возможным наличие внешних связей, которые для данного случая считаются несущественными и поэтому не рассматри­ваются.

Если временный разрыв или изменение характеристик внешних связей не вызывает отклонений в функционировании системы сверх заранее установленных пределов, то система связана с внешней сре­дой слабо, в противном случае — связана тесно. Несмотря на услов­ность такого деления и несомненное наличие систем, занимающих промежуточное положение, оно во многих случаях оказывается полезным. Это объясняется важным значением тесноты связи систе­мы с внешней средой, во многом определяющей требования к систе­ме и ее основным характеристикам. В некоторых случаях тесноту связи системы определяют только по входам, т. е. по воздействию внешней среды на систему, пренебрегая обратным воздействием системы на внешнюю среду.

Множество элементов, составляющих систему, объединено в нее по определенному признаку или правилу. Всегда можно ввести некоторые дополнительные признаки и раз­делить по ним множество элементов системы на подмножества, вы­деляя тем самым из системы ее составные части — подсистемы.

 

 

Подсистема

Подсистема — выделенное из системы по опре­деленному правилу или принципу целенаправленное подмножество взаимосвязанных элементов любой природы.

 

Каждую из подсистем можно разделить на более мелкие подсистемы, а полученные — на еще более мелкие и т. д. Установив общий для нескольких систем признак, можно объединить их в одну более крупную систему, в которую исходные систе­мы войдут в качестве подсистем.

Таким образом, любая система, представляя собой нечто целое, в то же время состоит из подсистем, каждую из которых можно рассматривать как самостоятельную систему, и, наоборот, любая система, представляя собой нечто целое, в то же время является частью, подсистемой некоторой более крупной системы.

Возможность многократного деления системы на подсистемы приводит к тому, что любая система содержит некоторые подсистемы, полученные выделением из исходной, в свою очередь состоящие из более мелких подсистем, состоящих из еще более мелких, и т. д.

Все подсистемы, полученные непосредственным выделением из одной исходной, относят к подсистемам одного уровня или ранга. При дальнейшем делении получаем подсистемы все более низкого уровня. Такое деление называют иерархией (греч. iepapxia — деление на высшие и низшие должности и чины, порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим). Одну и ту же систему можно делить на подсистемы по-разному — это зависит от выбранных правил объединения элементов в подсистемы.

Число уровней, число подсистем каждого уровня может быть самым различным. Однако необходимо соблюдать одно важное правило: подсистемы, непосредственно входящие в одну систему более высокого уровня, действуя совместно, должны выполнять все функции той системы, в которую они входят. Другими словами, подсистема некоторого n-го уровня представляет собой совокупность всех входящих в нее подсистем (n-1)-го уровня.

В иерархической системе управления любая подсистема неко­торого уровня подчинена каждой подсистеме любого более высокого уровня, в состав которой она входит, и управляется ею. Для систем управления деление системы возможно до тех пор, пока выделенная при очередном делении под­система не перестает выполнять функции управления. С этой точки зрения системами управления низшего иерархического уровня являются такие, которые осуществляют управление непосредственно некоторым орудием труда, механизмом, устройством или техноло­гическим процессом. Системы управления любого другого уровня, кроме низшего, всегда осуществляют управление технологическим процессом не непосредственно, а через подсистемы промежуточных, более низших по отношению к данной, уровней.

То обстоятельство, что любая подсистема является одновремен­но и самостоятельной системой, и подсистемой системы более высо­кого уровня, приводит к двум аспектам изучения систем:

- изучение системы на макроуровне - взаимодействию системы с внешней средой, причем системы более высокого уровня можно рассматривать в этом случае как часть внешней среды;

- изучение системы на микроуровне - взаимодействие элементов системы между собой, их свойства и условия функционирования.

Для полного изучения системы необходимо сочетание обоих под­ходов. Обычно считается целесообразным начинать изучение с макроуровня, а затем переходить к микроуровню, хотя в отдельных случаях может оказаться полезной и обратная последовательность

Структура

Совокупность связей между элементами системы отражающих их взаимодействие, называют структурой (латинское structure - строение, расположение, порядок, взаимосвязь, взаиморасположение составных частей, характеризующее строение, устройство чего-либо).

У каждой подсистемы некоторого уровня существуют подчиненные ей подсистемы либо непосредственно, либо для подсистем, расположенных ниже по уровням иерархии, через промежуточные подсистемы. Аналогично можно выделить вышестоящие подсистемы, которым подчинена данная. Множество всех подсистем, вышестоящих и под­чиненных по отношению к данной, называют ее вертикалью. Все подсистемы, принадлежащие одной вертикали, называют соподчиненными.

Связи между подсистемами могут быть двух типов:

- между подсистемами одного и того же уровня — горизонтальные связи;

- между подсистемами разных уровней — вертикальные связи.

Для каждой системы связи со всеми подчиненными ей подсистемами и междупоследними являются внутренними, а все остальное связи — внешними.

Связи между системой и внешней средой, так же как и между элементами системы, носят направленный характер Связи, направленные внутрь системы, называют ее вводами, а направленные из системы во внешнюю среду — выходами.

Поскольку любую подсистему или элемент системы можно рассматривать как самостоятельную систему, входы и выходы существуют у каждой подсистемы или элемента системы. Любая связь между какими-либо двумя элементами является в соответствии с ее направленностью от одного элемента к другому выходом первого из них и в то же время входом второго. Каждая открытая система имеет, по крайней мере, один вход и один выход, которыми она связана с внешней средой.

Для каждой подсистемы n-го уровня важной частью внешней среды являются подсистемы, входящие в одну вертикаль с рассматриваемой, главным образом непосредственно с нею связанные, т. е подсистемы (n-1)-го, n-го и (n+1)-го уровня.

Структуризация системы

 

Структуризация - второй этап системного анализа. Прежде всего, надо локализовать границы системы и определить ее внешнюю среду, для чего необходимо определить набор всех элементов, в той или иной степени связанных с поставленной на предыдущем этапе задачей, к разделить их на два класса:

- исследуемая система;

- внешняя среда.

Такое деление зависит от поставленной задачи — при ее изме­нении меняются границы системы, внешняя среда, а иногда первоначальный набор элементов. Для существующих систем обычно определены их границы, и задача структуризации сводится к исследованию соответствия принятых границ поставленной задаче. Дальнейшая структуризация проводится раздельно для внешней среды и самой системы.

Во внешней среде локализуют в виде подсистем элементы, образующие вертикаль исследуемой системы: вышестоящие, подчиненные ей подсистемы, а также те подсистемы одного с нею уровня, которые подчиняются той же подсистеме (n+1)-го уровня, что и рассматриваемая. Оставшуюся часть внешней среды рассматри­вают либо в совокупности, либо проводят дальнейшую структуризацию в зависимости от характера поставленной задачи. В последнем случае выделяют во внешней среде ряд систем по принципу тесноты и независимости связей с исследуемой.

Структуризация самой системы заключается в разбиении ее на подсистемы в соответствии с поставленной задачей. Завершается этап структуризации определением всех существенных связей между нею и системами, выделенными во внешней среде. Тем самым для каждой из выделенных в процессе структуризации систем определяют ее входы и выходы.

Информация и сигнал

Определения

Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до практического (информация есть все сведения (данные), являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования).

Информация - совокупность сведений об объектах, рассматриваемая с позиций передачи этих сведений в пространстве и во времени.

Передается информация в виде сигналов. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени .

Сообщение - это информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи от источника к пользователю (тексты, фото, речь, музыка, телевизионное изображение и др.).

Сообщение может быть представлено в виде:

- знаков (печать);

- звуковых сигналов (речь, музыка);

- светового изображения или сигнала и др.

Преобразование речи и музыки в электрический сигнал осуществляется с помощью:

- микрофона,

- преобразование изображений с помощью телевизионных передающих трубок.

Письменное сообщение сначала кодируется, когда каждая буква текста заменяется комбинацией стандартных символов (точки - тире, ноль - единица), которые затем преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы разной длительности, полярности и т. д.).

Сигналы

Под сигналом  будем понимать изменение во времени одного из параметров физического процесса.

Классификация сигналов

На рисунке 1 представлена структура….

 

Рисунок 1 -

Детерминированным называется сигнал, который точно определен в любой момент времени (например, задан в аналитическом виде). Детерминированные сигналы могут быть периодическими и непериодическими.

Периодическимназывается сигнал, для которого выполняется условие

,

где  - любое целое число,

        - период, являющийся конечным отрезком времени.

Пример периодического сигнала - гармоническое колебание

.

Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте

.

Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени.

Случайным сигналом называют функцию времени, значения которой заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью.

Основных характеристик случайных сигналов:

а) закон распределения вероятности (относительное время пребывания величины сигнала в определенном интервале);

б) спектральное распределение мощности сигнала.

ФОРМЫ представления детерминированных сигналов

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 739; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!