در سالهای اخیر استفاده از کنترل کننده های دیجیتال در سیستم های کنترل افزایش یافته است . در واقع بسیاری ازسیستم های کنترل صنعتی ، کنترل کننده های مبتنی بر پردازشگر را به عنوان یک جزء اساسی عملیات خود محسوب می نمایند . اخیراً کاربرد کنترل دیجیتال ، انجام اموری از قبیل بهینه سازی مصرف سوخت در اتومبیلها ، عملیات پیچیده در لوازم خانگی و ماشین آلات مانند دستگاههای CNC ، دستگاههای ریسندگی و بافندگی وغیره را امکان پذیر ساخته است . ازجمله مزایای سیستم های کنترل دیجیتال ، قابلیت تصمیم گیری و انعطاف پذیری در برنامه کنترل این چنین سیستم هایی می باشد . از جمله دلایل گرایش بسمت کنترل دیجیتال ، به جای کنترل آنالوگ سیستم های دینامیکی می توان به دسترس پذیر بودن کنترل کننده های دیجیتال ارزان قیمت و مزایای کار با سیگنال های دیجیتال به جای سیگنال های آنالوگ اشاره نمود . اجزاء گسسته اطلاعات در یک سیستم دیجیتال را کمیت های فیزیکی به نام سیگنال می سازند . سیگنال ها در تمام سیستم های دیجیتال الکترونیکی ، تنها دو مقدار مجزاء داشته و دودویی نامیده می شوند . لذا قدم اول در شناخت یک سیستم دیجیتال ، آشنایی با مفاهیم سیستم های دودویی می باشد .
اعداد دودویی
اعداد را می توان در مبناهای عددی مختلف نمایش داد . آشناترین مبنای عددی ، مبنای ده می باشد . در مبنای ده ، کلیه اعداد با ترکیبی از عددهای 0 تا 9 حاصل می گردند . هر رقم یک عدد ، دارای ارزشی خاص می باشد که ما آنرا با عبارات یکان ، دهگان ، صدگان و… می شناسیم . به عنوان مثال در عدد 543 ، عدد 3 در رتبه یکان (10º) ، عدد 4 در رتبه دهگان (10¹ ) و عدد 5 در رتبه صدگان (10² ) قرار دارد . از دیگر مبناهای عددی رایج می توان به مبنای دو اشاره نمود . همانند اعداد مبنای ده ، هر رقم یک عدد در مبنای 2 نیز دارای ارزش خاص خود می باشد . در این مبنا تنها اعداد صفر و یک موجود می یاشند . عدد 10010101 را می توان یک عدد 8 رقمی در مبنای 2 نامید . هر رقم در مبنای 2 ، یک بیت و هر 8 بیت یک بایت نامیده می شوند .
جهت بدست آوردن معادل مبنای دو یک عدد دهدهی ، این عدد را بطور متناوب بر 2 تقسیم می نماییم تا جایی که خارج قسمت نهایی بر 2 قابل تقسیم نباشد . ( یعنی یکی از اعداد صفر یا یک باشد .) این عدد با ارزش ترین بیت، معادل دودویی عدد را تشکیل می دهد . باقیمانده های بدست آمده از انتها تا ابتدا نیز بترتیب سایر بیت های پر ارزش معادل دودویی عدد را بدست می دهند .
جهت تبدیل یک عدد از مبنای 2 به مبنای 10 می توان هر رقم را در ارزش مکانی خود ضرب نموده و سپس حاصلضرب های بدست آمده را با هم جمع نمود .
مثال : معادل مبنای ده عدد 10010011 عبارتست از:
( 10010011 )2 = 1×2º + 1×2¹ + 0×2² + 0×2³ + 1×2 + 0×2 + 0×2 + 1×2
= 1 + 2 + 0 + 0 + 16 + 0 + 0 + 128 = ( 147 )10
از دیگر مبناهای عددی پر کاربرد مبنای 16 می باشد . یک عدد در مبنای 16 معادل یک عدد دودویی چهار رقمی است .
(جداول در فایل اصلی موجود است)
جهت تبدیل یک عدد از مبنای 16 به مبنای 2 به جای هر عدد آن معادل دودویی چهاررقمی معادل را جایگزین می نماییم .
مثال : معادل عدد (5E2)16 در مبنای دو عبارتست از :
(5E2)16 =( 0101 1110 0010) 2
جهت تبدیل یک عدد مبنای 2 به مبنای 16 نیز کافی است از سمت راست اعداد را چهاررقم ، چهاررقم جدا نموده و سپس معادل مبنای 16 آنها را جایگزین نماییم .
مثال : عدد مبنای دو 101101 در مبنای 16 عبارتست از:
( 0010 1101 ) 2 = ( 2 D )16
در این منطق ، متغیرها دارای دو ارزش مجزا هستندکه ما آنها را با ارزش یک و صفر و یا سطوح منطقی بالا و پایین معرفی می نمائیم . مدارهای طرح شده بر این اساس را که در آن تمام متغیرهای بکار برده شده تنها دارای دو مقدار می باشند را مدارات منطقی یا دیجیتال می نامند .
در منطق دیجیتال سه نوع عملیات اصلی وجود دارد . AND ، OR و NOT
عملگر AND : این عملگر همانند کلیدهای سری در مدارات الکتریکی تعریف می گردد . به عبارت دیگر در یک عملگر AND تنها زمانی خروجی خواهیم داشت که تمام متغیرهای موجود دارای ارزش یک باشند
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
سایر عملگر های منطقی پایه که با استفاده از سه عملگر اصلی ساخته می شوند عبارتند از:
عملگر NAND : این عملگر از ترکیب عملگرهای AND و NOT ساخته شده و عملکرد آن برخلاف AND می باشد ، یعنی دراین عملگر خروجی تنها زمانی مقدار صفر دارد که هر دو ورودی یک باشند .
مدار های منطقی
مداراتی که درآن تمام متغیرها دارای دو مقدار بوده و بوسیله عملگرهای منطقی به هم مرتبط می گردند را مدار منطقی می نامیم . مدارهای منطقی به دو دسته کلی تقسیم می گردند . مدارهای ترکیبی و مدارهای ترتیبی . درمدارات ترکیبی خروجی لحظه فعلی ، به ورودی در همان لحظه بستگی دارد . به عبارت دیگر هر ورودی اعمال شده به سیستم ، خروجی متناظر خود را تولید می نماید . ولیکن در مدارات ترتیبی حالت فعلی خروجی علاوه بر وضعیت فعلی ورودی ها به وضعیت قبلی خروجی نیز بستگی دارد . یعنی خروجی مدار که در لحظه های قبل بدست آمده و در یک واحد حافظه ذخیره گردیده است ، بر وضعیت فعلی خروجی اثر می گذارد .
کوچکترین عنصر حافظه در یک مدار ترتیبی را فلیپ فلاپ می نامند . یک فلیپ فلاپ قادر است مادامی که ورودی هایش تغییر نکرده و جریان تغذیه آن نیز قطع نشده باشد یک مقدار را بمدت نامحدود حفظ نماید . انواع مختلفی از فلیپ فلاپ وجود دارد که عبارتند از فلیپ فلاپ نوعD ، فلیپ فلاپ نوع JK ، فلیپ فلاپ نوع RS و … .
فلیپ فلاپ RS که مدار پایه سایر فلیپ فلاپها نیز می باشد ، دارای دو ورودی S (Set) و R ( Reset ) می باشد . در وضعیت SR = 10 خروجی فلیپ فلاپها یک می گردد و در وضعیت SR = 01 خروجی صفر می گردد
در انتهای این مبحث چند واژه را که در این کتاب ازآنها استفاده می گردد ، تعریف می نماییم.
پالس : ایجاد یک تغییر درسطوح ولتاژ را پالس می نامیم. پالسها به دو گروه تقسیم بندی می گردند . پالس دائم یا موقت .
پالس دائم عبارتست ازیک شکل موج مربعی که دارای دو سطح صفر و یک منطقی بوده و با فرکانس خاصی نوسان می کند .
پالس موقت عبارتست از یک شکل موج که بمدت معینی در یکی از سطوح قرار گرفته و سپس به حالت دائمی باز می گردد .
تریگر نمودن( Trigger ) : واژه تریگر به معنای تحریک بوده و به این معنی است که یک واحد را با اعمال یک پالس وادار به واکنش مشخصی نماییم .
لبه بالا رونده و لبه پایین رو نده : هر تغییر وضعیت پالس از سطح بالا به سطح پایین را یک لبه پایین رونده نامیده و هر تغییر وضعیت پالس از سطح پایین به سطح بالا را لبه بالا رونده می نامیم .
مقدمه ای بر سیستم های کنترل :
بنا بر تعریف یک سیستم کنترل ، سیستمی است که با دریافت اطلاعات ورودی ، نسبت به ایجاد خروجی هایی مطابق با خواسته های کاربر اقدام نماید . به عنوان مثال می توان به سیستم کنترل درجه حرارت یک کوره الکتریکی اشاره نمود . درجه حرارت داخل کوره توسط دماسنج که وسیله ای آنالوگ است ، سنجیده می شود . مبدل A/D سیگنال آنالوگ دما را به یک سیگنال دیجیتال دما تبدیل می کند . این سیگنال از طریق مدار واسط به کنترل کننده داده می شود . دمای دیجیتال با دمای برنامه ریزی شده در ورودی مقایسه می شود و در صورت وجود اختلاف ( خطا ) سیگنالی از طریق کنترل کننده به کوره ، باز هم از طریق یک مدار واسط داده شده و رله دما را به حد مطلوب می رساند .
(تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)