KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A feladat

Jelek, jelátvitel

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje a jel fogalmát, típusait; belássa, hogy az irányítás jelátviteli és -feldolgozási folyamat; megismerje a jelátviteli-szempontú modell fogalmát.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
meg tudja fogalmazni, mit értünk jel alatt; fel tudja sorolni a jelek típusait (példákkal); példán keresztül is be tudja mutatni, hogy az irányítás jelátviteli műveletek sorozata; példán keresztül tudja értelmezni, jelátviteli-szempontú modell fogalmát, ismeri annak elemeit. le tudja rajzolni egy adott irányítási rendszer hatásvázlatát
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
jel (ezen belül a jelek tipizálásának szempontjai és az egyes jeltípusok), tag, hatásvázlat.
A lecke feldolgozása során jegyezze meg a kulcsfogalmak definícióit.
Az irányítási műveletek információátviteli, illetve - átalakítási műveletek, ami azt jelenti, hogy az irányító rendszer működésében csak az információáramlásnak van szerepe, az anyag- és energiaáramoknak csak annyiban, amennyiben azok információt hordoznak. Másfelől, lévén az információ absztrakt, matematikai fogalom, önmagában, közvetlenül sem át nem vihető, sem fel nem dolgozható, így azt valamilyen, fizikailag manipulálható anyagi hordozóhoz kell kapcsolni. A fizikai hordozóra ültetett, materializálódott információ a jel.
Információ hordozására minden mérhető fizikai mennyiség alkalmas. A jel valamely mérhető fizikai mennyiség olyan értéke vagy értékváltozása, melynek információtartalmat tulajdonítunk. Fontos hangsúlyozni, hogy egy fizikai mennyiség értéke önmagában még nem jel. Jellé csak akkor és azáltal válik, ha érzékeljük, és ha számunkra jelent valamit, hogy az értéke ennyi vagy annyi, ha tehát értelmezzük. Ezt úgy is fogalmazhatjuk, hogy míg egy fizikai mennyiségnek minden körülmények között van valamekkora értéke (legalábbis a klasszikus fizika szerint: ami van, az valamekkora is), ez az érték nem mindig képvisel egyúttal jelet is.
A jeleknek az irányítási rendszerben betöltött szerepük szerint két csoportját különböztetjük meg. Az egyik csoportot azok alkotják, amelyek az irányító rendszerhez kötődnek és csak akkor léteznek, ha az irányítási rendszer is létezik, illetve működik. A másik csoportba az irányított rendszer és a környezet állapotát tükröző jelek tartoznak. Ezek az irányítástól függetlenül - anélkül is - léteznek (pl. ha csak mérjük őket). Az ilyen jeleket megkülönböztetésül jellemzőknek nevezik.
A jelek időben létező, időben változó objektumok. Az egyszerűbb jelek matematikailag egyváltozós valós függvényként írhatók le: J=J(t), ahol a független változó mindig az idő, a függvényérték pedig a jelhordozó fizikai mennyiség értéke.
Korábbi ismeretei alapján mondjon példákat jelekre! Gondolja át jellemző tulajdonságaikat! Próbálja csoportokba sorolni őket valamilyen, Ön által ismert szempont (vagy szempontok) szerint!
A jeleknek igen sok fajtája létezik. Feloszthatók időbeli lefolyásuk, értékkészletük, az általuk hordozott információ megjelenési formája, értékük meghatározottsága, stb. szerint. Az irányítási rendszerek konkrét felépítését és működési módját alapvetően a bennük terjedő jelek tulajdonságai determinálják, így az alább következő osztályozás nem csak a jelek, hanem részben az irányítási rendszerek osztályozásának is tekinthető.
Az időbeli lefolyás (értelmezési tartomány) szerint egy jel lehet folyamatos vagy szaggatott. A jel akkor folyamatos, ha egy adott időintervallum minden pillanatában létezik, tehát folyamatosan fennáll. Ha a jel értelmezési tartománya nem folytonos halmaz, azaz vannak olyan pillanatok, vagy intervallumok, amikor a jelhordozó fizikai mennyiség értékét nem értelmezzük és így a jel nem létezik, szaggatott jelről beszélünk. Folyamatos jel pl. számunkra egy óra számlapján a mutatók helyzete, ha állandóan nézzük (és látjuk) az órát. Szaggatott jelet kapunk, ha csak időnként pillantunk az órára, vagy egy sötét szobában megszakítás nélkül nézzük ugyan, de csak időnként villan fel a lámpa. Az értékkészlet szerint folytonos és szakaszos jeleket különböztetünk meg. Folytonos egy jel akkor, ha - legalábbis egy adott intervallumon belül - bármilyen értéket felvehet. Ha az értékkészlet néhány (esetleg végtelen sok) diszkrét értékből áll, a jel szakaszos. Folytonos jelre példa a lázmérő higanyszálának hossza a 35°C...42°C tartományban, míg szakaszos jelek pl. a logikai áramkörök kétállapotú jelei (ugyanis a logikai szintek közötti átmenet feszültségértékeit nem értelmezzük). Az információ megjelenési formája szerint megkülönböztetünk analóg és digitális jeleket. Analóg jelről akkor beszélünk, ha a jel - a jelhordozó fizikai mennyiség értéke - közvetlenül képviseli az információt. A digitális jel esetében a jelhordozó értéke (vagy az értékek egy sorozata) csak közvetve képviseli az információt: az érték maga elsődlegesen csak egy kódot határoz meg. Ezt egy adott szabály (algoritmus) szerint meg kell fejteni (dekódolni kell) ahhoz, hogy az információ birtokába jussunk. A kód maga rendszerint számjegyekből áll, de ez nem szükségszerű (lehet pl. színkód is). Analóg jel pl. egy bolti mérleg mutatójának kitérése, amely közvetlenül megadja az áru súlyát. Ha viszont patikai mérleggel mérünk, a mérendő súlyt elsődlegesen a mérleg kiegyensúlyozásához szükséges etalondarabok száma (vagy színe, alakja, stb.), mint kód fogja jellemezni. Ebből pl. egy táblázat alapján meghatározhatjuk a mérendő tárgy tényleges súlyát (dekódolás). Eben az esetben az etalonsúlyok száma (színe, alakja) digitális jel. Az érték meghatározottsága szempontjából determinisztikus és sztochasztikus jeleket különböztetünk meg. Determinisztikus a jel akkor, ha minden esetben azonos, egyértelműen megadható időfüggvény szerint fut le. A sztochasztikus jelnek nincs határozott időfüggvénye, alakja minden egyes lefutáskor véletlenszerűen változik. Az ilyen jelek esetében a jelalak fogalma értelmét veszti, a jelet csak valószínűségelméleti módszerekkel lehet leírni, csak statisztikus jellemzőit (középérték, szórás, stb.) lehet megadni. Nem lehet azt mondani, hogy a jel "ilyen", hanem csak azt, hogy "adott valószínűséggel ilyen szokott lenni". Determinisztikus jel pl. egy adott paraméterekkel (amplitúdó, impulzusszélesség) rendelkező négyszög alakú feszültségimpulzus (feltéve, hogy a paraméterek értékét nem befolyásolják véletlenszerű effektusok). Ugyanakkor sztochasztikus jel pl. a júniusi napi középhőmérsékletek sorozata, minthogy az évről-évre véletlenszerűen ingadozik.
Mondjon véleményt: vajon minden jelre ráilleszthetjük-e a fenti négy szempont mindegyikét, vagyis minden jelről egyidejűleg négy független jellemzőt mondhatunk-e?
Képezhető még a jeleknek egy természetes, ám triviális felosztása: a jelhordozó mennyiség szerinti osztályozás. E vonatkozásban annyiféle jelről beszélhetünk, ahányféle fizikai mennyiség létezik. Az irányítástechnikai gyakorlatban a leggyakrabban (és egyre inkább) villamos jeleket (feszültség, áram, impedancia) használnak. Ebből aztán úgy tűnik, hogy az irányítástechnika a villamos szakma inherens (velejáró) része, és irányítani csak villamosan lehet. Ez egyáltalán nem így van; a villamos jelek nagyfokú dominanciájának oka az, hogy ezek átvitele és feldolgozása sokkal egyszerűbb és gazdaságosabb, mint más jeleké, és a jelfeldolgozás technikai apparátusa jelenleg itt a leggazdagabb és a legkifinomultabb (pl. elektronikus számítógép).
Az irányítási rendszerben a működés során az információ okságilag szigorúan meghatározott irányban - az ún. hatásirányban - áramlik. Az irányító rendszer egyes szerkezeti részei, (berendezései, szervei) elemi jelfeldolgozó, jelátalakító műveleteket végeznek. Ezek összességének eredményeként valósul meg az irányítás. A rendszer működésének elméleti vizsgálatakor az egyes szerkezeti elemeket olyan absztrakt modellel helyettesítik, amely nem ad számot az elem felépítésének és fizikai működésének konkrét jellemzőiről, hanem csak a jelátviteli tulajdonságokra terjed ki. Ezt a modellt tagnak nevezik. Az egyes tagokat információátviteli csatornák - jelvezetékek - kapcsolják össze egymással, így az irányítási rendszer funkcionálisan egy jelátviteli hálózatnak tekinthető. Az információáramlás kötött iránya miatt minden tag két kitüntetett, fel nem cserélhető ponttal - a bemenettel és a kimenettel - rendelkezik. A jel a bemeneti ponton lép be a tagba, majd a tag által megváltoztatva a kimeneten távozik (1. ábra).
A hatásvázlat elemei
1. ábra
A tagokat az a) ábrán látható szimbólummal szokás jelölni. A nyilak az információáramlás irányát és egyúttal az információátviteli utakat jelölik. A tag bemenőjele xb, kimenőjele xk . A nyílirány meghatározza a hatásirányt, vagyis a jelek oksági kapcsolatát. A tag jelébe írt kifejezés a tag funkciójára utal. A b) és a c) ábra két különleges tagot, egy jelösszegzőt és egy különbségképzőt ábrázol. Az összegző két vagy több jel összegét képzi, a különbségképző pedig alkalmas két bemenőjele különbségének előállítására. A szabályozó rendszerekben a különbségképző alapvető jelentőségű, amennyiben képes a kívánt és a tényleges állapotot jellemző jelek összehasonlítására és az eltérés mértékének előállítására. A d) ábra egy jel-elágazást mutat. Ennek jellegzetessége, hogy az elágazási pontba befutó információ minden kimeneti irányban csorbítatlanul terjed tovább. A fenti elemek felhasználásával megalkothatjuk, a teljes irányítási rendszer jelátviteli modelljét az un. hatásvázlatot, amely a működés kvantitatív vizsgálatának alapvető eszköze.
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Saját szavaival fogalmazza meg a jel fogalmát!
2. Sorolja fel a jelek osztályozási szempontjait!
3. Lehet-e egy digitális jel folytonos?
| Igen.
| Nem.
| Van folytonos is és szakaszos is.
4. Igaz-e, hogy az analóg jelek mindig folyamatosak?
| Igaz
| Hamis
5. Írja le (az alábbi ábra alapján) mit értünk jelátviteli modell alatt, és sorolja fel a modell elemeit!
6. Jelölje meg az igaz állításokat!
| A tag kimenete és bemenete felcserélhető.
| A jelösszegző nem tag.
| A hatásirány nem fordítható meg.
| A tag kimeneti jele visszahathat a bemeneti jelre.
| A jel-elágazási pontból minden irányban ugyanaz a jel halad tovább.