معلومة

4.4: حلقات التغذية الراجعة - علم الأحياء

4.4: حلقات التغذية الراجعة - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تذكر أن الاستتباب هو الحفاظ على بيئة داخلية مستقرة نسبيًا. عند وجود حافز أو تغيير في البيئة ، تستجيب حلقات التغذية الراجعة للحفاظ على عمل الأنظمة بالقرب من نقطة محددة ، أو مستوى مثالي.

استجابة

التغذية الراجعة هي الحالة التي يكون فيها ناتج أو استجابة حلقة تؤثر أو تؤثر على المدخلات أو التحفيز.

عادةً ما نقسم حلقات التعليقات إلى نوعين رئيسيين:

  1. حلقات ردود الفعل الإيجابية ، حيث يؤدي التغيير في اتجاه معين إلى تغيير إضافي في نفس الاتجاه ، على سبيل المثال ، تؤدي الزيادة في تركيز مادة ما إلى حدوث تغذية مرتدة تنتج زيادات مستمرة في التركيز.
  2. حلقات ردود الفعل السلبية، حيث يؤدي التغيير في اتجاه معين إلى حدوث تغيير في الاتجاه المعاكس ، على سبيل المثال ، تؤدي الزيادة في تركيز مادة ما إلى حدوث تغذية مرتدة تؤدي في النهاية إلى انخفاض تركيز المادة.

حلقات التغذية الراجعة الإيجابية هي بطبيعتها أنظمة غير مستقرة. نظرًا لأن التغيير في أحد المدخلات يؤدي إلى استجابات تنتج تغييرات مستمرة في نفس الاتجاه ، يمكن أن تؤدي حلقات التغذية الراجعة الإيجابية إلى ظروف غير متوقعة. يستخدم مصطلح التغذية الراجعة الإيجابية عادة طالما أن المتغير لديه القدرة على تضخيم نفسه ، حتى لو لم يكن من السهل التعرف على مكونات الحلقة (المستقبل ، مركز التحكم والمستجيب). في معظم الحالات ، تكون التعليقات الإيجابية ضارة ، ولكن هناك حالات قليلة تساهم فيها التعليقات الإيجابية ، عند استخدامها بطريقة محدودة ، في الوظيفة الطبيعية. على سبيل المثال ، أثناء تخثر الدم ، تقوم سلسلة من البروتينات الأنزيمية بتنشيط بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين جلطة الفيبرين التي تمنع فقدان الدم. أحد الإنزيمات الموجودة في المسار ، المسمى الثرومبين ، لا يعمل فقط على البروتين التالي في المسار ولكن لديه أيضًا القدرة على تنشيط البروتين الذي سبقه في السلسلة. تؤدي هذه الخطوة الأخيرة إلى دورة تغذية مرتدة إيجابية ، حيث تؤدي زيادة الثرومبين إلى زيادة أخرى في الثرومبين. وتجدر الإشارة إلى أن هناك جوانب أخرى لتخثر الدم تحافظ على العملية الكلية تحت السيطرة ، مثل أن مستويات الثرومبين لا ترتفع بلا حدود. ولكن إذا نظرنا فقط في تأثيرات الثرومبين على نفسه ، فإنها تعتبر دورة ردود فعل إيجابية. على الرغم من أن البعض قد يعتبر هذه حلقة تغذية مرتدة إيجابية ، إلا أن مثل هذه المصطلحات غير مقبولة عالميًا.

حلقات التغذية الراجعة السلبية هي أنظمة مستقرة بطبيعتها. عادةً ما تنتج حلقات التغذية الراجعة السلبية ، جنبًا إلى جنب مع المحفزات المختلفة التي يمكن أن تؤثر على متغير ، حالة يتأرجح فيها المتغير حول نقطة التحديد. على سبيل المثال ، تساعد حلقات التغذية الراجعة السلبية التي تتضمن الأنسولين والجلوكاجون في الحفاظ على مستويات الجلوكوز في الدم ضمن نطاق تركيز ضيق. إذا ارتفعت مستويات الجلوكوز بشكل كبير ، يطلق الجسم الأنسولين في مجرى الدم. يتسبب الأنسولين في امتصاص خلايا الجسم للجلوكوز وتخزينه ، مما يؤدي إلى خفض تركيز الجلوكوز في الدم. إذا انخفض مستوى الجلوكوز في الدم بشكل كبير ، يقوم الجسم بإفراز الجلوكاجون ، مما يؤدي إلى إطلاق الجلوكوز من بعض خلايا الجسم.

ردود الفعل الإيجابية

في آلية التغذية الراجعة الإيجابية ، يحفز إخراج النظام النظام بطريقة تزيد من الإنتاج. تشمل المصطلحات الشائعة التي يمكن أن تصف حلقات أو دورات التغذية المرتدة الإيجابية "كرة الثلج" و "التفاعل المتسلسل". بدون تفاعل أو عملية موازنة أو "إيقاف التشغيل" ، فإن آلية التغذية الراجعة الإيجابية لديها القدرة على إنتاج عملية غير متوقعة. كما لوحظ ، هناك بعض العمليات الفسيولوجية التي تُعتبر عمومًا ردود فعل إيجابية ، على الرغم من أنها قد لا تحتوي جميعها على مكونات محددة في حلقة التغذية الراجعة. في هذه الحالات ، تنتهي حلقة التغذية الراجعة الإيجابية دائمًا بإشارة مضادة تكبح الحافز الأصلي.

من الأمثلة الجيدة على ردود الفعل الإيجابية تضخيم تقلصات العمل. تبدأ الانقباضات عندما يتحرك الطفل إلى موضعه ، مما يؤدي إلى شد عنق الرحم إلى ما بعد وضعه الطبيعي. تزيد التغذية الراجعة من قوة الانقباضات وتواترها حتى ولادة الطفل. بعد الولادة ، يتوقف التمدد وتنقطع الحلقة.

مثال آخر على ردود الفعل الإيجابية يحدث في الرضاعة ، حيث تنتج الأم الحليب لطفلها. خلال فترة الحمل ، تزداد مستويات هرمون البرولاكتين. عادةً ما يحفز البرولاكتين إنتاج الحليب ، ولكن أثناء الحمل ، يثبط البروجسترون إنتاج الحليب. عند الولادة ، عندما تخرج المشيمة من الرحم ، تنخفض مستويات البروجسترون. نتيجة لذلك ، يرتفع إنتاج الحليب. عندما يرضع الطفل ، تحفز الرضاعة الثدي ، مما يعزز إطلاق المزيد من البرولاكتين ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الحليب. تضمن هذه التغذية الراجعة الإيجابية حصول الطفل على كمية كافية من الحليب أثناء الرضاعة. عندما يفطم الطفل ويتوقف عن الرضاعة من الأم ، يتوقف التحفيز ويعود البرولاكتين في دم الأم إلى مستويات ما قبل الرضاعة الطبيعية.

ما ورد أعلاه يقدم أمثلة على آليات ردود الفعل الإيجابية المفيدة. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، يمكن أن تكون الملاحظات الإيجابية ضارة لعمليات الحياة. على سبيل المثال ، يمكن أن ينخفض ​​ضغط الدم بشكل كبير إذا فقد الشخص الكثير من الدم بسبب الصدمة.

ضغط الدم هو متغير منظم يؤدي إلى زيادة معدل ضربات القلب (أي زيادة معدل ضربات القلب) والتقلص بقوة أكبر. تؤدي هذه التغييرات التي تطرأ على القلب إلى حاجته إلى المزيد من الأكسجين والمواد المغذية ، ولكن إذا كان حجم الدم في الجسم منخفضًا للغاية ، فلن تتلقى أنسجة القلب نفسها ما يكفي من تدفق الدم لتلبية هذه الاحتياجات المتزايدة. يمكن أن يؤدي عدم التوازن بين متطلبات القلب للأكسجين وإمدادات الأكسجين إلى مزيد من تلف القلب ، مما يؤدي في الواقع إلى خفض ضغط الدم ، مما يوفر تغييرًا أكبر في المتغير (ضغط الدم). تستجيب الحلقة بمحاولة تحفيز القلب بقوة أكبر ، مما يؤدي إلى مزيد من تلف القلب ... وتستمر الحلقة حتى الموت.

ردود فعل سلبية

معظم أنظمة التغذية الراجعة البيولوجية هي أنظمة ردود فعل سلبية. تحدث الملاحظات السلبية عندما تعمل مخرجات النظام لتقليل أو تثبيط العمليات التي تؤدي إلى مخرجات ذلك النظام ، مما يؤدي إلى إنتاج أقل. بشكل عام ، تسمح حلقات التغذية الراجعة السلبية للأنظمة بالاستقرار الذاتي. ردود الفعل السلبية هي آلية تحكم حيوية لتوازن الجسم.

لقد رأيت مثالاً على حلقة تغذية مرتدة مطبقة على درجة الحرارة وحددت المكونات المعنية. هذا مثال مهم لكيفية احتفاظ حلقة التغذية الراجعة السلبية بالتوازن هو آلية تنظيم حرارة الجسم. يحافظ الجسم على درجة حرارة داخلية ثابتة نسبيًا لتحسين العمليات الكيميائية. النبضات العصبية من المستقبلات الحرارية الحساسة للحرارة في الجسم تشير إلى منطقة ما تحت المهاد. يقارن الوطاء ، الموجود في الدماغ ، درجة حرارة الجسم بقيمة نقطة محددة.

عندما تنخفض درجة حرارة الجسم ، يبدأ الوطاء بالعديد من الاستجابات الفسيولوجية لزيادة إنتاج الحرارة والحفاظ على الحرارة:

  • يؤدي تضيق الأوعية الدموية السطحية (تضيق الأوعية) إلى تقليل تدفق الحرارة إلى الجلد.
  • يبدأ الارتعاش ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الحرارة بواسطة العضلات.
  • تفرز الغدد الكظرية هرمونات محفزة مثل النوربينفرين والإبينفرين لزيادة معدلات التمثيل الغذائي وبالتالي إنتاج الحرارة.

تؤدي هذه التأثيرات إلى ارتفاع درجة حرارة الجسم. عندما تعود إلى وضعها الطبيعي ، لم يعد يتم تحفيز منطقة ما تحت المهاد ، وتتوقف هذه التأثيرات.

عندما ترتفع درجة حرارة الجسم ، يبدأ الوطاء بالعديد من الاستجابات الفسيولوجية لتقليل إنتاج الحرارة وفقدان الحرارة:

  • يؤدي اتساع الأوعية الدموية السطحية (توسع الأوعية) إلى زيادة تدفق الحرارة إلى الجلد وتدفقاته.
  • تطلق الغدد العرقية الماء (العرق) والتبخر يبرد الجلد.

تؤدي هذه التأثيرات إلى انخفاض درجة حرارة الجسم. عندما تعود إلى وضعها الطبيعي ، لم يعد يتم تحفيز منطقة ما تحت المهاد ، وتتوقف هذه التأثيرات.

العديد من آليات الاستتباب ، مثل درجة الحرارة ، لها استجابات مختلفة إذا كان المتغير أعلى أو أقل من نقطة التحديد. عندما ترتفع درجة الحرارة ، نتعرق ، وعندما تنخفض نشعر بالقشعريرة. تستخدم هذه الردود مؤثرات مختلفة لضبط المتغير. في حالات أخرى ، ستستخدم حلقة التغذية الراجعة نفس المستجيب لضبط المتغير مرة أخرى باتجاه نقطة التحديد ، سواء كان التغيير الأولي للمتغير إما أعلى أو أسفل نقطة التحديد. على سبيل المثال ، يتم ضبط قطر الحدقة للتأكد من دخول كمية مناسبة من الضوء إلى العين. إذا كانت كمية الضوء منخفضة جدًا ، يتوسع التلميذ ، وإذا كان مرتفعًا جدًا ، ينقبض التلميذ.

يمكن مقارنة هذا بالقيادة. إذا كانت سرعتك أعلى من نقطة التحديد (القيمة التي تريدها) ، يمكنك إما خفض مستوى المسرع (أي الساحل) ، أو يمكنك تنشيط نظام ثانٍ - الفرامل. في كلتا الحالتين ، تكون بطيئًا ، ولكن يمكن القيام بذلك إما عن طريق "النسخ الاحتياطي" فقط على نظام واحد ، أو إضافة نظام ثانٍ.

دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل هذين المثالين فيما يتعلق بتوازن ضغط الدم الطبيعي.

يتم قياس ضغط الدم عندما يضغط الدم المنتشر على جدران شرايين الجسم. ينشأ ضغط الدم في البداية عن طريق انقباض القلب. التغييرات في قوة ومعدل الانكماش ستكون مرتبطة بشكل مباشر بالتغيرات في ضغط الدم. كما أن التغيرات في حجم الدم ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالتغيرات في ضغط الدم. التغيرات في قطر الأوعية الدموية التي ينتقل الدم من خلالها ستغير المقاومة ويكون لها تغير معاكس في ضغط الدم. يتضمن توازن ضغط الدم مستقبلات تراقب ضغط الدم ومراكز التحكم التي تبدأ تغييرات في المؤثرات لإبقائها ضمن النطاق الطبيعي.


تتميز المواد الوظيفية بيولوجيًا بدارات التغذية والتغذية الراجعة المتمثلة في الكشف عن توكسين البوتولينوم أ

حلقات التغذية العكسية والتغذية المرتدة هي عناصر تنظيمية رئيسية في الإشارات الخلوية ومعالجة المعلومات. تستغل البيولوجيا التركيبية هذه العناصر لتصميم الدوائر الجزيئية التي تمكن من إعادة البرمجة والتحكم في وظائف خلوية محددة. تعمل هذه الدوائر كأساس لهندسة الشبكات الخلوية المعقدة ، مما يفتح الباب أمام العديد من التطبيقات الطبية والتقنية الحيوية. هنا ، يتم تطبيق مبدأ مماثل. يتم دمج دارات التغذية المرتدة الموجبة والإيجابية في مواد البوليمر الهجين الحيوي من أجل تطوير أجهزة استشعار الإشارات ومعالجة الإشارات. يتجسد هذا المفهوم من خلال اكتشاف النشاط التحلل للبروتين للسم العصبي للبوتولينوم أ. لهذا الهدف ، يتم دمج البروتياز الخاص بالموقع في المستقبِل ، والمرسل ، ومواد الإخراج ، ويتم إطلاقها ، ونشرها ، و / أو تنشيطها وفقًا لـ دائرة تغذية راجعة موجبة أو إيجابية. يتيح تطوير نموذج رياضي كمي تحليل ومقارنة أداء كلا النظامين. يمكن تكييف التصميم المرن بسهولة لاكتشاف السموم أو الجزيئات الأخرى ذات الأهمية. علاوة على ذلك ، يمكن أن توفر الإشارات الخلوية أو المسارات التنظيمية للجينات مخططات إضافية لتطوير دوائر هجين حيوي جديدة. إن مثل هذه الدوائر البيولوجية لمعالجة المعلومات والمضمنة في المواد تبشر بالخير لمجموعة متنوعة من التطبيقات التحليلية أو الطبية أو التقنية الحيوية.


لماذا يتحدى البالغ من العمر 4 سنوات؟ 7 حلول عملية

1. ضع مثالاً إيجابياً

ابق على أعصابك تحت السيطرة.

أسوأ شيء يمكنك فعله هو الرد على سلوك طفلك العدواني والتخريبي بمزيد من العدوانية.

سيؤكد هذا لطفلك فقط أن هذا هو السلوك المقبول والطريقة الصحيحة لعرض مشاعرهم.

2. التصرف بسرعة

هذه طريقة حاسمة وذكية لنزع فتيل نوبة الغضب قبل أن تذهب بعيداً.

بمجرد أن ترى السلوك التخريبي الناشئ ، تصرف بسرعة وقم بالقضاء عليه بسرعة.

على سبيل المثال، "إذا لم تضع ذلك جانبا الآن ، فإن التلفزيون سيخرج ويبقى متوقفًا طوال اليوم".

ادعم ما تقوله وكن حازمًا في نهجك. يبلغ طفلك من العمر ما يكفي ليدرك أن تهديداتك ليست فارغة.

3. كن متكررًا

إذا قمت بتوبيخ طفلك على مخالفة بسيطة مرة واحدة ثم لم تفعل الشيء نفسه مرة أخرى ، فسوف يتعلم قريبًا أن هذا تهديد فارغ وسيواصل الضغط على الأزرار حتى تستسلم.

في النهاية ، كل هذا التكرار سيؤتي ثماره وسيكون تهديدك جيدًا بما يكفي للحد من السلوكيات المتحدية.

4. ردود الفعل حلقة

تعد حلقة التعليقات هي أفضل طريقة للتكيف باستمرار مع الأبوة والأمومة لإدارة سلوك طفلك.

(سأحصل على بعض التقنية هنا ، لكن ابق معي)

يمتلك مقدمو خدمة البريد الإلكتروني (مثل Gmail و Yahoo وغيرها) هذا التدفق المستمر من حلقات التعليقات التي يقدمها عملاؤهم عندما يتلقون رسائل بريد إلكتروني.

تذهب رسائل البريد الإلكتروني الجيدة إلى البريد الوارد ، وتنتقل الرسائل غير المرغوب فيها إلى مجلد البريد العشوائي. بسيط بما فيه الكفاية ، أليس كذلك؟

حسنًا ، إذا كانت جيدة بما يكفي لـ Google فهي جيدة بما يكفي لك!

تحدث إلى طفلك بعد كل انفجار (ليس بشكل مباشر ، أعطه 20 دقيقة على الأقل وأقل من ساعة واحدة)

اكتشف ما الذي بدأ الفورة ، ولماذا قرر التصرف بهذه الطريقة وما إذا كنت تستطيع ما الذي جعله يتوقف (أو ما الذي كان سيتسبب في توقفه بشكل أسرع!)

قد يبدو هذا غير ضروري إلى حد ما ، ولكن بناءً على ما يخبرك به ، ستتمكن من فهم أفضل لما حدث ولماذا أصبح في حالة من الغضب ، وستكون قادرًا بشكل أفضل على ضبط الأبوة والأمومة من أجل الفورة التالية.

جربها ، ستصدم من بعض الردود التي تحصل عليها.

5. كافئ السلوك الجيد

كآباء ، نميل إلى التركيز على السلوك السيئ واستجابتنا له أكثر من السلوك الجيد.

عندما يطلب أ "قطعة فاكهة" ولا يضع يده في طبقك ، يسأل بأدب ما إذا كان يمكنه الحصول على بعض ، ويكافئه بالثناء والتقدير.

إعادة التنفيذ الإيجابي هي أفضل طريقة لتصفية السلوك التخريبي قبل أن يصل إلى تلك المرحلة.

احتفظ بمخطط المكافآت وأضف إليه ملصقات لأي سلوك جيد ، صغيرًا كان أم كبيرًا.

6. مراقبة وقت التلفزيون

تمتلئ الرسوم الكاريكاتورية والإعلانات التلفزيونية بالمؤثرين التخريبيين والسلبيين.

هذا لا يساعد في الغضب والعدوان لدى صبي يبلغ من العمر 4 سنوات.

حتى الجرعات الصغيرة من هذا يمكن أن تسبب مشاكل سلوكية طويلة المدى إذا تعرض طفلك لها مرات كافية.

يمكن أن تكون الألعاب الرقمية بنفس السوء ، لذا ستحتاج إلى تقييد تلك الألعاب التي تروج للصراخ والقتال والسلوك التخريبي بشكل عام.

ستفاجأ بما يلتقطه الأطفال عندما يشاهدون التلفزيون ولا يظهر دائمًا على الفور.

يمكنهم أن يمضوا أسابيع دون أن يعرفوا أنهم قد تأثروا!

حاول الالتزام بالروتين ومراقبة تقدم طفلك.

"يتصرف" معظم الأطفال في مراحل نمو مختلفة ، لذا تأكد من فهم المعلم الرئيسي الذي وصلوا إليه وما إذا كان السلوك جزءًا طبيعيًا منه.


مقدمة للطبعة الثانية التاسع

مقدمة للطبعة الأولى الحادي عشر

قائمة الرموز شائعة الاستخدام xv

1 مقدمة إلى عناصر التحكم في التغذية الراجعة الخطية 1

1.1 ما هي أنظمة التحكم في التغذية الراجعة؟ 4

1.3 تصميم أنظمة التحكم في التغذية الراجعة 7

2.1 مثال على نظام من الدرجة الأولى: RC lowpass 17

2.2 مثال على نظام الدرجة الثانية: نظام المثبط الكتلة الزنبركي 18

2.3 الحصول على استجابة النظام من إدخال خطوة 19

2.4 الأنظمة والإشارات في Scilab 21

3 حل المعادلات التفاضلية في مجال لابلاس 25

3.1 تحويل لابلاس 25

3.2 متسلسلة فورييه وتحويل فورييه 29

3.3 تمثيل الجسر المنخفض RC ومثبط كتلة الزنبرك

أنظمة في مجال لابلاس 35

3.4 استجابة عابرة ومستقرة 39

3.5 التمدد الجزئي للكسر 42

4 أنظمة زمنية منفصلة 51

4.1 التحويل التناظري إلى الرقمي وعقد الترتيب الصفري 52

4.3 العلاقة بين مجالات لابلاس و z 59

5 أول مثال شامل: حمام الماء الذي يتم التحكم في درجة حرارته 65

5.1 النموذج الرياضي للعملية 65

5.2 تحديد معاملات النظام 67

5.3 نموذج مجال لابلاس 72

5.4 تقديم التحكم في التغذية الراجعة 75

5.5 مقارنة بين أنظمة الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة 77

5.6 استخدام وحدة تحكم PI 79

5.7 التحكم الزمني المنفصل 83

5.8 التحكم المنفصل زمنياً مع التحويل الثنائي 85

6 حكاية قطبين: مثال أداة تحديد المواقع وأهمية

6.1 نظام تموضع الرأس 87

6.2 إدخال التحكم في التغذية الراجعة 89

6.3 الاستجابة الديناميكية لنظام الحلقة المغلقة 90

6.4 التحكم في التغذية الراجعة بوحدة تحكم منفصلة زمنياً 93

6.5 مقاييس أداء الاستجابة الديناميكية 97

6.6 مقاييس الأداء المتكاملة زمنياً 102

6.7 الاستجابة الديناميكية للأنظمة العليا 105

7.1 المعادلات العامة لنماذج الحالة الفضائية 109

7.2 أنظمة التحكم في التغذية الراجعة في شكل فضاء الدولة 115

7.3 قابلية الوصول والملاحظة 118

7.4 مراقبة ردود الفعل بين الدولة والفضاء بواسطة مراقبين 119

7.5 نماذج فضاء الولاية في Scilab 121

8 مخططات الكتلة: وصف رسومي رسمي للأنظمة الخطية 123

8.1 رموز مخططات الكتلة والرسوم البيانية لتدفق الإشارة 123

8.2 معالجة مخطط الكتلة 124

8.3 أمثلة على تبسيط مخطط الكتلة 127

9 الخطية للمكونات غير الخطية 133

9.1 التخطي للمكونات مع الوصف التحليلي 134

9.2 التخطي للمكونات ذات متغيرات المدخلات المتعددة 136

9.3 الخطية للبيانات الجدولية 139

9.4 الخطية للمكونات مع البيانات الرسومية 140

9.5 تأثيرات التشبع 141

10 تحليل الاستقرار للأنظمة الخطية 145

10.1 مخطط روث - هورويتز 148

10.2 مصفوفات Routh للأنظمة ذات الترتيب المنخفض 149

10.3 استقرار الأنظمة المنفصلة زمنيًا باستخدام w -transform 151

10.5 مصفوفات هيئة المحلفين للأنظمة ذات الترتيب المنخفض 153

10.6 أمثلة التطبيقات 154

11 طريقة تحديد موضع الجذر 157

11.1 البناء الرسومي لمخططات موضع الجذر 158

11.2 الرسوم البيانية لموقع الجذر في Scilab 164

11.3 مثال على التصميم: جهاز تحديد الموضع مع تحكم PI 165

11.4 مثال على التصميم: تقليل الرنين 170

11.5 طريقة تحديد موضع الجذر للأنظمة المنفصلة زمنيًا 173

12 تحليل نطاق التردد وطرق التصميم 177

12.1 استجابة التردد لأنظمة LTI 177

12.2 استجابة التردد واستقراره 179

12.4 تعريف المرحلة وهامش الربح 182

12.5 بناء مخططات بودي 185

12.6 استجابة التردد لنظام الدرجة الثانية 186

12.7 استجابة التردد للفلاتر الرقمية 190

12.8 معيار الاستقرار نيكويست 193

12.9 معيار ثبات نيكويست للأنظمة المنفصلة زمنياً 199

12.10 استقرار نيكويست في Scilab 201

13 متانة أنظمة التحكم في التغذية الراجعة 203

13.1 حساسية النظام 204

13.3 دور المستشعر 211

13.4 متانة أنظمة التحكم الرقمية 216

14 اللبنات الأساسية للأنظمة الخطية 219

14.1 مقدمة موجزة عن مكبرات الصوت التشغيلية 219

14.2 اللبنات الأساسية للأنظمة المستمرة بمرور الوقت 226

14.3 عينة من نظام التحكم الرقمي مع متحكم 239

14.4 اللبنات الأساسية للأنظمة المنفصلة زمنياً وأجهزة التحكم الرقمية 243


جدول المحتويات

مقدمة
شكر وتقدير
الرموز
الفصل 1 الخصائص الطوبولوجية
1.1. نهج الجماهير العصبية
1.1.1. الملاحظات المباشرة وغير المباشرة
1.1.2. استخدام النماذج في التسلسل الهرمي
1.1.3. الأشكال العيانية للنشاط العصبي التعاوني
1.2 الخلايا العصبية المفردة
1.2.1. هياكل الخلايا العصبية
1.2.2. عمليات الخلايا العصبية
1.2.3. متغيرات الدولة للخلايا العصبية
1.2.4. مواصفات الدول والعمليات النشطة
1.2.5. علاقات المدخلات والمخرجات للخلايا العصبية المفردة
1.2.6. دول متعددة مستقرة من الخلايا العصبية
1.2.7. الطبولوجيا الأساسية لشبكات الخلايا العصبية
1.3 الجماهير العصبية
1.3.1. التسلسل الهرمي الطوبولوجي للمجموعات التفاعلية
1.3.2. متغيرات الحالة لمجموعات KO و KI
1.3.3. عمليات المجموعات العصبية
1.3.4. كسب التعليقات كمعامل للتفاعل
1.3.5. الدول المستقرة المتعددة ومستويات التفاعل
1.3.6. علاقة الثباتات المتعددة بالإشارات العصبية
1.3.7. شروط التحقيق
1.3.8. استخدام المعادلات التفاضلية
الفصل 2 خصائص تعتمد على الوقت
2.1. قياس الأحداث العصبية
2.1.1. تمثيل الأحداث حسب الوظائف
2.1.2. وظائف الإدخال والإخراج
2.1.3. وظائف الإدخال والإخراج الخطية
2.1.4. الدافع والاستجابة النبضية
2.2. النماذج الخطية للغشاء العصبي
2.2.1. طوبولوجيا الغشاء
2.2.2. المعادلات التفاضلية
2.2.3. تحويل لابلاس
2.2.4. تطبيق تحويل لابلاس على الغشاء
2.3 النماذج الخطية لأجزاء من الخلايا العصبية
2.3.1. التفاف
2.3.2. نظرية الالتواء
2.3.3. وظائف التحويل لنقل النبض
2.3.4. نموذج الموصل الأساسي
2.3.5. تأخير متشابك
2.4 النماذج الخطية للخلايا العصبية
2.4.1. صياغة الطوبولوجيا
2.4.2. أزواج المدخلات والمخرجات والمعادلة التفاضلية
2.4.3. تفسير المعلمات
2.4.4. الوظيفة الخطية لتحويل الموجة إلى النبض
2.5 النماذج الخطية للكتل العصبية
2.5.1. استخدام الانحدار غير الخطي
2.5.2. مجموعة KO العصبية
2.5.3. الاستجابات التذبذبية من مجموعة KII
الفصل 3 الخصائص المعتمدة على السعة
3.1. النماذج غير الخطية للأغشية العصبية
3.1.1. الفرضية الأيونية
3.1.2. قوى التمثيل الغذائي
3.1.3. مفهوم التوازن المحتمل
3.1.4. نموذج نفاذية الصوديوم
3.2 النماذج غير الخطية للخلايا العصبية وأجزاء من الخلايا العصبية
3.2.1. إمكانات العمل في محاور
3.2.2. عتبة عدم اليقين في المحاور
3.2.3. إمكانات ما بعد المشبكي في التشعبات
3.2.4. علاقات المدخلات والمخرجات المعتمدة على السعة
3.3 النماذج غير الخطية للكتل العصبية
3.3.1. نشاط الخلفية في وضع الموجة
3.3.2. نشاط الخلفية في وضع النبض
3.3.3. علاقات الموجات والبقول
3.3.4. موجة لتحويل النبض في مجموعة KI
3.3.5. نبض لتحويل الموجة في مجموعة KI
3.3.6. المكاسب المستقبلية لمجموعة KI
الفصل 4 خصائص تعتمد على الفضاء
4.1 المجالات المحتملة للخلايا العصبية المفردة
4.1.1. وظائف الأساس لقياس الإمكانات في الفضاء
4.1.2. وظائف الأساس للإمكانات في الحقول الحالية
4.1.3. الوظائف المحتملة للموصل الأساسي
4.1.4. المجالات المحتملة للمحاور
4.1.5. العقد والألياف المتفرعة
4.2 المجالات المحتملة للكتل العصبية
4.2.1. قياس الحقول المرصودة
4.2.2. وظائف الأساس للمجالات المحتملة للكتل العصبية
4.2.3. الحقول المحتملة المركبة: التحليل المعياري
4.3 الحقول المحتملة في البصيلة الشمية
4.3.1. هندسة البصيلات والطوبولوجيا
4.3.2. تحليل الوظيفة المكانية للجهد
4.3.3. نشاط يعتمد على الوقت
4.4 الحقول المحتملة في قشرة Prepyriform
4.4.1. الهندسة القشرية والطوبولوجيا
4.4.2. الحقول الملحوظة ذات الإمكانات القشرية
4.4.3. علاقة الحقول المحتملة بالدول النشطة
4.5 الاختلاف والتقارب في الجماهير العصبية
4.5.1. عملية الاختلاف
4.5.2. تقييم التوزيعات المكانية للدول النشطة
4.5.3. تقييم الاختلاف المشبكي
4.5.4. تقييم انحراف الجر
الفصل 5 التفاعل: حلقات ردود الفعل الفردية مع كسب ثابت
5.1 الخصائص العامة لحلقات التغذية الراجعة المفردة
5.1.1. أنواع ردود الفعل العصبية
5.1.2. اشتقاق التقريب الخطي المجمع المتقطع
5.1.3. موقع الجذر كدالة لكسب ردود الفعل
5.1.4. ربح يعتمد على السعة والاستقرار
5.2 التخفيض من مستوى KI
5.2.1. التحليل الطوبولوجي للطبقة الكبيبية
5.2.2. المعادلات التفاضلية لمجموعة KIe
5.2.3. الاستقرار الذاتي لمجموعة KIe
5.3 التخفيض من مستوى KII
5.3.1. التحليل الطوبولوجي للبصلة الشمية
5.3.2. المعادلات التفاضلية لحالات الحلقة المفتوحة
5.3.3. المعادلات التفاضلية لحالات الحلقة المغلقة
5.4. التخفيض من مستوى القتل
5.4.1. التحليل الطوبولوجي للقشرة المخية
5.4.2. المعادلات التفاضلية للقشرة
5.4.3. وظيفة النقل لقناة إدخال LOT
5.4.4. العلاقات بين موجة النبض في القشرة والبصلة
5.4.5. قنوات لمدخلات الطرد المركزي
الفصل 6 حلقات متعددة الملاحظات مع ربح متغير
6.1 حالات التوازن: تردد مميز
6.1.1. تعريف الأنواع الثلاثة لكسب ردود الفعل
6.1.2. حل المعادلات التفاضلية
6.1.3. مواقع الجذر التجريبية والنظرية
6.1.4. التحكم في التحيز للتردد المميز
6.1.5. جذر Loci يعتمد على سعة EEG
6.2 دول دورة الحد: آليات مخطط كهربية الدماغ
6.2.1. خصائص الاستقرار لمجموعات KII
6.2.2. حدود دورة الدول في الوضع الأول
6.2.3. حدود دورة الدول في الوضع الثاني
6.2.4. مصادر الخطأ والقيود
6.2.5. مقارنات مع النماذج الرياضية ذات الصلة
الفصل 7 معالجة الإشارات عن طريق الإجراءات الجماعية العصبية
7.1 الارتباطات السلوكية لنشاط الموجة في مجموعات KII
7.1.1. الأساس التشغيلي للارتباط
7.1.2. تحليل عامل AEPs
7.1.3 أنماط التغيير في AEPS مع الانتباه
7.1.4. آلية قشرية مقترحة للانتباه
7.2 تحولات الإشارات العصبية بواسطة مجموعات KII
7.2.1. الترميز العصبي في البصيلة الشمية
7.2.2. آليات بلبار لتعديل المرحلة
7.2.3. الانتباه ووظيفة التوقع القشري
7.2.4. الآليات الممكنة للمخرجات القشرية
7.3. تعليقات بخصوص الإجراءات الجماعية للقشرة المخية الحديثة
7.3.1. القدرات الإيقاعية والتحفيز الإيقاعي
7.3.2. استقطاب التيار المستمر وإمكانات ثابتة
7.3.3. نشاط الوحدة المرتبط بالأحداث الحسية والحركية
مراجع
فهرس المؤلف
دليل الموضوع


3.1 خفيفة الوزن وتقوم بشيء واحد

دعنا نتخيل أنك تبني نظام حجز مشابهًا لنظام الحجز الخاص بـ Forex أو cheapflights.com.au والذي يتلقى الطلبات من العملاء للمساعدة في حجز رحلات الطيران والفنادق واستئجار السيارة. يتكون التطبيق من عدة مكونات بما في ذلك: واجهة موقع الحجز وتطبيقات الهاتف المحمول وخدمات خلفية متعددة لتنظيم أمر الحجز الخاص بك كما هو موضح في (الشكل 3).

الشكل 3: مثال على هندسة الخدمات المصغرة (نظام الحجز عبر الإنترنت)

يتكون النظام بشكل أساسي من 4 طبقات مختلفة:

واجهة المستخدم هي واجهة للنظام باستثناء أي منطق عمل من جانب الخادم. يمكن أن يكون إما موقعًا إلكترونيًا أو تطبيقًا أصليًا للهاتف المحمول أو نظام لوحة معلومات للعمليات الداخلية.

ستمكّن طبقة الاتصال واجهة المستخدم من الاتصال بخدمات مختلفة من خلال بوابة واحدة دون الحاجة إلى الوصول المباشر إلى أي من الخدمات.

ستحتوي طبقة الخدمة على جميع الخدمات المصغرة التي يمكن للمؤسسة الاستفادة منها. في مثالنا ، لدينا خمس خدمات فقط ، ولكن في العالم الحقيقي يمكن أن تكون مئات الخدمات للتعامل مع كل جانب من جوانب النظام.

يجب ألا تحتوي جميع الخدمات على أي ارتباط مباشر بخدمات أخرى أو مشاركة مخازن البيانات. يجب أن تتم جميع الاتصالات بين الخدمات داخل طبقة التكامل لضمان فصل الخدمة.

لذلك ، تقوم كل خدمة من خدمات النظام بشيء واحد وتتولى مهمة معينة.


4 آليات للتعليقات في أنظمة الأراضي الرطبة

4.1 ردود الفعل البياض السطحي

يُعرَّف البياض بأنه نسبة الإشعاع التي ينعكسها سطح على مقياس من 0 (جسم أسود) إلى 1 (تنعكس جميع الإشعاعات) (Coakley ، 2003). قد تؤدي التحولات التي يحركها المناخ في الغطاء الأرضي إلى آليات التغذية المرتدة (الشكل 2) ، مثل التغييرات في البياض السطحي لتعديل ميزانية الطاقة الإجمالية (بوديكوفا ، 2009 وينتون ، 2008) ، والتي يمكن أن تعزز أو توازن الاحترار في القطب الشمالي وعلى الصعيد العالمي مقياس. تؤدي التغييرات في مدى الجليد البحري والغطاء الثلجي في القطب الشمالي بالفعل إلى تغييرات جذرية في البياض السطحي ، لا سيما في فصل الصيف ، الذي شهد ارتفاعًا في درجات الحرارة في العقود الأخيرة مما أدى إلى انخفاض حجم الجليد البحري وتأخير إعادة نمو الجليد البحري خلال الخريف (Serreze) ، هولندا ، وسترويف ، 2007). وقد تسبب هذا في تغير في البياض يتراوح من 0.75 للجليد البحري متعدد السنوات إلى 0.06-10.10 للمسطحات المائية ، اعتمادًا على زاوية الإشعاع الوارد (Serreze & Barry ، 2014). التغييرات في سمك الجليد والغطاء الثلجي على الجليد البحري تغير أكثر من البياض السطحي (Curry، Schramm، Ebert، 1995). عندما يتم امتصاص جزء أكبر من الإشعاع بدلاً من انعكاسه ، تتطور حلقة تغذية مرتدة إيجابية وتعزز زيادة درجة الحرارة في القطب الشمالي (وينتون ، 2008). يمكن أن يؤثر هذا الاحترار المعزز بسبب تناقص البياض السطحي للمحيط المتجمد الشمالي على درجات الحرارة على الكتل الأرضية المجاورة حتى 1500 كيلومتر في الداخل ، مما يدل على تأثيره على أنظمة الأراضي الرطبة في القطب الشمالي (Lawrence، Slater، Tomas، Holland، & Deser، 2008 Parmentier et al.، 2015). يُعتقد أيضًا أن ردود الفعل البياض الجليدية للمحيط المتجمد الشمالي لها تأثير كبير على المناخ العالمي (بوديكوفا ، 2009) ، حيث بلغ متوسط ​​التأثير الإشعاعي السنوي 0.1 واط متر مربع بين عامي 1979 و 2007 (هدسون ، 2011). التغييرات في الغطاء الجليدي الأرضي الناجم عن الاحترار وزيادة هطول الأمطار تشمل فترة الغطاء الثلجي الأقصر وانخفاض سمك كتلة الثلج (Bintanja & Andry ، 2017) ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في بياض السطح الكلي (Déry & Brown ، 2007). من خلال التأثير المعزز لهذه التغذية المرتدة ، تضاعف التأثير الإشعاعي ثلاث مرات بسبب التغيرات في الغطاء الجليدي في القطب الشمالي بين 1910-1940 (0.3 وات م 2 عقد -1) و 1970-2000 (0.9 وات م 2 عقد -1) (Euskirchen ، McGuire ، & شابين ، 2007). جنبا إلى جنب مع ردود الفعل على الجليد البحري ، تعتبر مسؤولة عن تأثير تضخيم القطب الشمالي (Serreze & Francis ، 2006). يؤدي أيضًا تعاقب الغطاء النباتي الناجم عن الاحترار ، ولا سيما هجرة خط الأشجار شمالًا ، إلى تعديل البياض السطحي (Frost & Epstein ، 2014) ويمثل ردود فعل أخرى تعزز الاحترار. يمكن أن يؤدي التحول في الغطاء النباتي إلى تقليل البياض السطحي خلال الصيف ، ويتراوح من 0.14 إلى 0.18 للنباتات التندرا إلى 0.09 للأشجار الصنوبرية الداكنة (Eugster et al. ، 2000). علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي اعتراض الثلوج بواسطة الصنوبريات دائمة الخضرة إلى خفض البياض الشتوي (de Wit et al. ، 2014). ومع ذلك ، يقدر أن هذه التغذية المرتدة مسؤولة فقط عن حوالي 3 ٪ من الاحترار الناجم عن تغير الغطاء الأرضي ، حيث أن المدى المكاني لتغير الغطاء النباتي كان صغيرًا نسبيًا حتى الآن (Chapin et al. ، 2005). بالنظر إلى المزيد من الاحترار بناءً على سيناريوهات المناخ المستقبلية وتأثير التأخر الزمني على تعاقب الغطاء النباتي ، قد تصبح هذه الملاحظات أكثر أهمية في المستقبل ، على الرغم من أن التقدم نحو الشمال للأشجار المتساقطة قد يعيد البياض السطحي للغابات الشمالية ، مما يبطل هذه الملاحظات (Eugster et al . ، 2000). قد تؤدي الزيادات في الكتلة الحيوية والنقصان في مدى الجليد البحري أيضًا إلى تعزيز معدلات التبخر وتكوين السحب التي يمكن أن تخفض الحد الأدنى من البياض في المناظر الطبيعية المزروعة وغير المزروعة بما يصل إلى 0.02 ، حيث تعوق السحب تغلغل الإشعاع (Eugster et al. ، 2000).

يتم التحكم أيضًا في البياض السطحي عن طريق أسطح المياه الأرضية ، وبالتالي يتم تغييرها بواسطة الكارست الحرارية وعمليات الصرف الناتجة عن ذوبان الجليد الدائم. يمكن أن تؤدي زيادة مساحة المياه السطحية عن طريق التوسع في الأراضي الرطبة وتشكيل بحيرات الكارست الحرارية إلى خفض البياض السطحي (Kokelj & Jorgenson، 2013 Runyan & D'Odorico، 2012) ، مما يتسبب في ردود فعل إيجابية أخرى تعزز الاحترار. سيؤدي تصريف الأراضي الرطبة إلى زيادة البياض السطحي الكلي ، مما يوفر ردود فعل سلبية توازن الاحترار (Göckede et al. ، 2019).

4.2 ردود الفعل المرتبطة بالنظام الحراري الأرضي

نظرًا لأن التربة الصقيعية لها تأثير حاسم على أنظمة الأراضي الرطبة في القطب الشمالي ، فإن آليات التغذية الراجعة التي تتضمن درجات حرارة الأرض ستؤثر على منطقة الأراضي الرطبة في المستقبل (الشكل 3). تتفاعل التربة الصقيعية نفسها بشكل مباشر مع النظام الحراري ، حيث يؤدي تجميد الأرض إلى زيادة التوصيل الحراري ، مما يسهل اختراق درجات حرارة الشتاء المنخفضة في الأرض ، مما يؤدي إلى تكوين حلقة تغذية مرتدة إيجابية (Osterkamp & Romanovsky ، 1997). يعتمد المستوى الفعلي للتوصيل الحراري على نوع التربة ومحتوى الجليد (Arenson، Colgan، & Marshall، 2015). تتطلب التربة الصقيعية المتدهورة طاقة أقل لإذابة الجليد وبالتالي تعزز ارتفاع درجة حرارة الأرض (Eugster et al. ، 2000).

تعزز التربة الصقيعية تكوين الأراضي الرطبة من خلال إعاقة ترشيح المياه ، مما يؤدي إلى نمو النباتات المحبة للماء وتقليل معدلات التحلل ، مما يؤدي إلى تراكم الخث (M. هذا يعزل الأرض عن درجات حرارة الصيف الدافئة وبالتالي يعزز تجميد الأرض ، مما ينتج عنه حلقة تغذية مرتدة إيجابية ويعزز تكوين التربة الصقيعية في بيئات الأراضي الرطبة (Woo & Young ، 2003). ومع ذلك ، فإن تأثيرات الخث على التوصيل الحراري الأرضي تعتمد بشكل كبير على مستوى تشبع الماء. Kujala, Seppälä, and Holappa ( 2008 ) reported conductivity values of 0.23–0.28 W/mK for dry peat samples and 0.43–0.67 W/mK in frozen dry peat, 0.41–0.50 W/mK for saturated peat, and 1.48–1.49 w/mK for frozen saturated peat. This highlights the dependency on both seasonal conditions and saturation level for this feedback.

Permafrost degradation also creates feedbacks through thermokarst and drainage processes. Inundation caused by thermokarst formation enhances the thermal conductivity of the ground and hence reinforces permafrost thaw (Brouchkov, Fukuda, Fedorov, Konstantinov, & Iwahana, 2004 Quinton et al., 2011 ). Waterlogged conditions in turn inhibit forest growth and tree survival, which increases the snowpack and its insulating effect on ground temperatures, but reduces the shielding effect of trees (Chasmer, Quinton, Hopkinson, Petrone, & Whittington, 2011 Runyan & D'Odorico, 2012 ). Therefore, wetland expansion enhances ground temperatures and reinforces permafrost thaw (J. Rowland, Travis, & Wilson, 2011 ). In contrast, wetland shrinkage through drainage lowers the thermal conductivity of the ground and balances permafrost thaw through negative feedbacks (Briggs et al., 2014 Göckede et al., 2019 Woo, 2012 ).

4.3 Spatial variability of environmental changes

The consequences of warming and hydrological changes on environmental systems are not uniform throughout the Arctic but exhibit spatial variation. Table 1 shows the geographic distribution of resulting environmental changes, which have been identified as the most direct and relevant. Certain change trajectories are more widespread, such as permafrost thaw and wildfires, whereas other occur more locally, for example insect outbreaks and lake or wetland drainage. More research is needed on both the spatial and the temporal variations of these change trajectories for different types of wetlands. This should also include determination of relative strengths of interactions, in order to understand dominant feedbacks and net effects resulting from warming and hydrological changes.

Consequences of warming التوزيع الجغرافي مراجع
Permafrost dynamics Permafrost degradation Pan-Arctic (1) Subarctic Sweden (2) N Europe (3) Alaska, USA (4) NW Canada (5) N Russia (6) (1) Biskaborn et al. ( 2019 ) (2) Åkerman and Johansson ( 2008 ) (3) Harris et al. ( 2009 ) (4) Jorgenson, Shur, and Pullman ( 2006 ) (5) Quinton et al. ( 2011 ) (6) Mazhitova, Malkova (Ananjeva, Chestnykh, and Zamolodchikov ( 2004 )
Thermokarst formation Canada (1), including Banks Island (2) Alaska, USA (2) Subarctic Sweden (3) (1) Farquharson et al. ( 2019 ) (2) Fraser et al. ( 2018 ) (3) Farquharson, Mann, Grosse, Jones, and Romanovsky ( 2016 ) (4) Sannel and Kuhry ( 2011 )
Lake/wetland drainage Alaska, USA (1) Old Crow Basin, Yukon, Canada (2) Scotty Creek, Canada (3) Siberia (4) (1) Yoshikawa and Hinzman ( 2003 ) (2) Labrecque, Lacelle, Duguay, Lauriol, and Hawkings ( 2009 ) (3) Haynes et al. ( 2018 ) (4) Smith et al. ( 2005 )
Snow and sea ice Reduction in sea ice extent Arctic Ocean (1) (1) Stroeve et al. ( 2012 )
Reduction in snow cover North America (1) W Russia (2) (1) Callaghan et al. ( 2011 ) (2) Bulygina, Razuvaev, and Korshunova ( 2009 )
Ecosystem dynamics Vegetation succession Canada (1) Siberia (2) (1) Jia, Epstein, and Walker ( 2009 ) (2) Frost and Epstein ( 2014 )
Wildfires Northern Eurasia (1) including Siberia (2), North Slope of Alaska, USA (3), Canada (4) (1) Evangeliou et al. ( 2016 ) (2) Kharuk et al. ( 2021 ) (3) Creamean et al. ( 2018 ) (4) Price et al. ( 2013 )
Insect outbreaks Subarctic Sweden (1) W North America (2) (1) Heliasz et al. ( 2011 ) (2) Kurz et al. ( 2008 )

محتويات

Automobile race analogy Edit

As an analogy of a PLL, consider a race between two cars. One represents the input frequency, the other the PLL's output voltage-controlled oscillator (VCO) frequency. Each lap corresponds to a complete cycle. The number of laps per hour (a speed) corresponds to the frequency. The separation of the cars (a distance) corresponds to the phase difference between the two oscillating signals.

During most of the race, each car is on its own and free to pass the other and lap the other. This is analogous to the PLL in an unlocked state.

However, if there is an accident, a yellow caution flag is raised. This means neither of the race cars is permitted to overtake and pass the other car. The two race cars represent the input and output frequency of the PLL in a locked state. Each driver will measure the phase difference (a fraction of the distance around the lap) between themselves and the other race car. If the hind driver is too far away, they will increase their speed to close the gap. If they are too close to the other car, the driver will slow down. The result is that both race cars will circle the track in lockstep with a fixed phase difference (or constant distance) between them. Since neither car is allowed to lap the other, the cars make the same number of laps in a given time period. Therefore the frequency of the two signals is the same.

Clock analogy Edit

Phase can be proportional to time, [a] so a phase difference can be a time difference. Clocks are, with varying degrees of accuracy, phase-locked (time-locked) to a leader clock.

Left on its own, each clock will mark time at slightly different rates. A wall clock, for example, might be fast by a few seconds per hour compared to the reference clock at NIST. Over time, that time difference would become substantial.

To keep the wall clock in sync with the reference clock, each week the owner compares the time on their wall clock to a more accurate clock (a phase comparison), and resets their clock. Left alone, the wall clock will continue to diverge from the reference clock at the same few seconds per hour rate.

Some clocks have a timing adjustment (a fast-slow control). When the owner compared their wall clock's time to the reference time, they noticed that their clock was too fast. Consequently, the owner could turn the timing adjust a small amount to make the clock run a little slower (frequency). If things work out right, their clock will be more accurate than before. Over a series of weekly adjustments, the wall clock's notion of a second would agree with the reference time (locked both in frequency and phase within the wall clock's stability).

An early electromechanical version of a phase-locked loop was used in 1921 in the Shortt-Synchronome clock.

Spontaneous synchronization of weakly coupled pendulum clocks was noted by the Dutch physicist Christiaan Huygens as early as 1673. [1] Around the turn of the 19th century, Lord Rayleigh observed synchronization of weakly coupled organ pipes and tuning forks. [2] In 1919, W. H. Eccles and J. H. Vincent found that two electronic oscillators that had been tuned to oscillate at slightly different frequencies but that were coupled to a resonant circuit would soon oscillate at the same frequency. [3] Automatic synchronization of electronic oscillators was described in 1923 by Edward Victor Appleton. [4]

In 1925 Professor David Robertson, first professor of electrical engineering at the University of Bristol, introduced phase locking in his clock design to control the striking of the bell Great George in the new Wills Memorial Building. Robertson’s clock incorporated an electro-mechanical device that could vary the rate of oscillation of the pendulum, and derived correction signals from a circuit that compared the pendulum phase with that of an incoming telegraph pulse from Greenwich Observatory every morning at 10.00 GMT. Apart from including equivalents of every element of a modern electronic PLL, Robertson’s system was notable in that its phase detector was a relay logic implementation of the phase/frequency detector not seen in electronic circuits until the 1970s. Robertson’s work predated research towards what was later named the phase-lock loop in 1932, when British researchers developed an alternative to Edwin Armstrong's superheterodyne receiver, the Homodyne or direct-conversion receiver. In the homodyne or synchrodyne system, a local oscillator was tuned to the desired input frequency and multiplied with the input signal. The resulting output signal included the original modulation information. The intent was to develop an alternative receiver circuit that required fewer tuned circuits than the superheterodyne receiver. Since the local oscillator would rapidly drift in frequency, an automatic correction signal was applied to the oscillator, maintaining it in the same phase and frequency of the desired signal. The technique was described in 1932, in a paper by Henri de Bellescize, in the French journal L'Onde Électrique. [5] [6] [7]

In analog television receivers since at least the late 1930s, phase-locked-loop horizontal and vertical sweep circuits are locked to synchronization pulses in the broadcast signal. [8]

When Signetics introduced a line of monolithic integrated circuits like the NE565 that were complete phase-locked loop systems on a chip in 1969, [9] applications for the technique multiplied. A few years later RCA introduced the "CD4046" CMOS Micropower Phase-Locked Loop, which became a popular integrated circuit.

Phase-locked loop mechanisms may be implemented as either analog or digital circuits. Both implementations use the same basic structure. Analog PLL circuits include four basic elements:

Variations Edit

There are several variations of PLLs. Some terms that are used are analog phase-locked loop (APLL) also referred to as a linear phase-locked loop (LPLL), digital phase-locked loop (DPLL), all digital phase-locked loop (ADPLL), and software phase-locked loop (SPLL). [10]

Analog or linear PLL (APLL) Phase detector is an analog multiplier. Loop filter is active or passive. Uses a voltage-controlled oscillator (VCO). APLL is said to be a type II if its loop filter has transfer function with exactly one pole at the origin (see also Egan's conjecture on the pull-in range of type II APLL). Digital PLL (DPLL) An analog PLL with a digital phase detector (such as XOR, edge-trigger JK, phase frequency detector). May have digital divider in the loop. All digital PLL (ADPLL) Phase detector, filter and oscillator are digital. Uses a numerically controlled oscillator (NCO). Software PLL (SPLL) Functional blocks are implemented by software rather than specialized hardware. Charge-pump PLL (CP-PLL) CP-PLL is a modification of phase-locked loops with phase-frequency detector and square waveform signals. See also Gardner's conjecture on CP-PLL.

Performance parameters Edit

  • Type and order. : hold-in range (tracking range), pull-in range (capture range, acquisition range), lock-in range. [11] See also Gardner's problem on the lock-in range, Egan's conjecture on the pull-in range of type II APLL.
  • Loop bandwidth: Defining the speed of the control loop.
  • Transient response: Like overshoot and settling time to a certain accuracy (like 50 ppm).
  • Steady-state errors: Like remaining phase or timing error.
  • Output spectrum purity: Like sidebands generated from a certain VCO tuning voltage ripple.
  • Phase-noise: Defined by noise energy in a certain frequency band (like 10 kHz offset from carrier). Highly dependent on VCO phase-noise, PLL bandwidth, etc.
  • General parameters: Such as power consumption, supply voltage range, output amplitude, etc.

Phase-locked loops are widely used for synchronization purposes in space communications for coherent demodulation and threshold extension, bit synchronization, and symbol synchronization. Phase-locked loops can also be used to demodulate frequency-modulated signals. In radio transmitters, a PLL is used to synthesize new frequencies which are a multiple of a reference frequency, with the same stability as the reference frequency.

Other applications include

    of frequency modulation (FM): If PLL is locked to a FM signal, the VCO tracks the instantaneous frequency of the input signal. The filtered error voltage which controls the VCO and maintains lock with the input signal is demodulated FM output. The VCO transfer characteristics determine the linearity of the demodulated out. Since the VCO used in an integrated-circuit PLL is highly linear, it is possible to realize highly linear FM demodulators.
  • Demodulation of frequency-shift keying (FSK): In digital data communication and computer peripherals, binary data is transmitted by means of a carrier frequency which is shifted between two preset frequencies.
  • Recovery of small signals that otherwise would be lost in noise (lock-in amplifier to track the reference frequency)
  • Recovery of clock timing information from a data stream such as from a disk drive in microprocessors that allow internal processor elements to run faster than external connections, while maintaining precise timing relationships
  • Demodulation of modems and other tone signals for telecommunications and remote control. of video signals Phase-locked loops are also used to synchronize phase and frequency to the input analog video signal so it can be sampled and digitally processed in frequency modulation mode, to detect changes of the cantilever resonance frequency due to tip–surface interactions drive

Clock recovery Edit

Some data streams, especially high-speed serial data streams (such as the raw stream of data from the magnetic head of a disk drive), are sent without an accompanying clock. The receiver generates a clock from an approximate frequency reference, and then phase-aligns to the transitions in the data stream with a PLL. This process is referred to as clock recovery. For this scheme to work, the data stream must have a transition frequently enough to correct any drift in the PLL's oscillator. Typically, some sort of line code, such as 8b/10b encoding, is used to put a hard upper bound on the maximum time between transitions.

Deskewing Edit

If a clock is sent in parallel with data, that clock can be used to sample the data. Because the clock must be received and amplified before it can drive the flip-flops which sample the data, there will be a finite, and process-, temperature-, and voltage-dependent delay between the detected clock edge and the received data window. This delay limits the frequency at which data can be sent. One way of eliminating this delay is to include a deskew PLL on the receive side, so that the clock at each data flip-flop is phase-matched to the received clock. In that type of application, a special form of a PLL called a delay-locked loop (DLL) is frequently used. [12]

Clock generation Edit

Many electronic systems include processors of various sorts that operate at hundreds of megahertz. Typically, the clocks supplied to these processors come from clock generator PLLs, which multiply a lower-frequency reference clock (usually 50 or 100 MHz) up to the operating frequency of the processor. The multiplication factor can be quite large in cases where the operating frequency is multiple gigahertz and the reference crystal is just tens or hundreds of megahertz.

Spread spectrum Edit

All electronic systems emit some unwanted radio frequency energy. Various regulatory agencies (such as the FCC in the United States) put limits on the emitted energy and any interference caused by it. The emitted noise generally appears at sharp spectral peaks (usually at the operating frequency of the device, and a few harmonics). A system designer can use a spread-spectrum PLL to reduce interference with high-Q receivers by spreading the energy over a larger portion of the spectrum. For example, by changing the operating frequency up and down by a small amount (about 1%), a device running at hundreds of megahertz can spread its interference evenly over a few megahertz of spectrum, which drastically reduces the amount of noise seen on broadcast FM radio channels, which have a bandwidth of several tens of kilohertz.

Clock distribution Edit

Typically, the reference clock enters the chip and drives a phase locked loop (PLL), which then drives the system's clock distribution. The clock distribution is usually balanced so that the clock arrives at every endpoint simultaneously. One of those endpoints is the PLL's feedback input. The function of the PLL is to compare the distributed clock to the incoming reference clock, and vary the phase and frequency of its output until the reference and feedback clocks are phase and frequency matched.

PLLs are ubiquitous—they tune clocks in systems several feet across, as well as clocks in small portions of individual chips. Sometimes the reference clock may not actually be a pure clock at all, but rather a data stream with enough transitions that the PLL is able to recover a regular clock from that stream. Sometimes the reference clock is the same frequency as the clock driven through the clock distribution, other times the distributed clock may be some rational multiple of the reference.

AM detection Edit

A PLL may be used to synchronously demodulate amplitude modulated (AM) signals. The PLL recovers the phase and frequency of the incoming AM signal's carrier. The recovered phase at the VCO differs from the carrier's by 90°, so it is shifted in phase to match, and then fed to a multiplier. The output of the multiplier contains both the sum and the difference frequency signals, and the demodulated output is obtained by low pass filtering. Since the PLL responds only to the carrier frequencies which are very close to the VCO output, a PLL AM detector exhibits a high degree of selectivity and noise immunity which is not possible with conventional peak type AM demodulators. However, the loop may lose lock where AM signals have 100% modulation depth. [13]

Jitter and noise reduction Edit

One desirable property of all PLLs is that the reference and feedback clock edges be brought into very close alignment. The average difference in time between the phases of the two signals when the PLL has achieved lock is called the static phase offset (وتسمى أيضًا ملفات steady-state phase error). The variance between these phases is called tracking jitter. Ideally, the static phase offset should be zero, and the tracking jitter should be as low as possible. [ مشكوك فيها - ناقش ]

Phase noise is another type of jitter observed in PLLs, and is caused by the oscillator itself and by elements used in the oscillator's frequency control circuit. Some technologies are known to perform better than others in this regard. The best digital PLLs are constructed with emitter-coupled logic (ECL) elements, at the expense of high power consumption. To keep phase noise low in PLL circuits, it is best to avoid saturating logic families such as transistor-transistor logic (TTL) or CMOS. [14]


Another desirable property of all PLLs is that the phase and frequency of the generated clock be unaffected by rapid changes in the voltages of the power and ground supply lines, as well as the voltage of the substrate on which the PLL circuits are fabricated. This is called substrate and supply noise rejection. The higher the noise rejection, the better.

To further improve the phase noise of the output, an injection locked oscillator can be employed following the VCO in the PLL.

Frequency synthesis Edit

In digital wireless communication systems (GSM, CDMA etc.), PLLs are used to provide the local oscillator up-conversion during transmission and down-conversion during reception. In most cellular handsets this function has been largely integrated into a single integrated circuit to reduce the cost and size of the handset. However, due to the high performance required of base station terminals, the transmission and reception circuits are built with discrete components to achieve the levels of performance required. GSM local oscillator modules are typically built with a frequency synthesizer integrated circuit and discrete resonator VCOs. [ بحاجة لمصدر ]

A phase detector compares two input signals and produces an error signal which is proportional to their phase difference. The error signal is then low-pass filtered and used to drive a VCO which creates an output phase. The output is fed through an optional divider back to the input of the system, producing a negative feedback loop. If the output phase drifts, the error signal will increase, driving the VCO phase in the opposite direction so as to reduce the error. Thus the output phase is locked to the phase at the other input. This input is called the reference. [ بحاجة لمصدر ]

Analog phase locked loops are generally built with an analog phase detector, low pass filter and VCO placed in a negative feedback configuration. A digital phase locked loop uses a digital phase detector it may also have a divider in the feedback path or in the reference path, or both, in order to make the PLL's output signal frequency a rational multiple of the reference frequency. A non-integer multiple of the reference frequency can also be created by replacing the simple divide-by-ن counter in the feedback path with a programmable pulse swallowing counter. This technique is usually referred to as a fractional-N synthesizer or fractional-N PLL. [ مشكوك فيها - ناقش ]

The oscillator generates a periodic output signal. Assume that initially the oscillator is at nearly the same frequency as the reference signal. If the phase from the oscillator falls behind that of the reference, the phase detector changes the control voltage of the oscillator so that it speeds up. Likewise, if the phase creeps ahead of the reference, the phase detector changes the control voltage to slow down the oscillator. Since initially the oscillator may be far from the reference frequency, practical phase detectors may also respond to frequency differences, so as to increase the lock-in range of allowable inputs. Depending on the application, either the output of the controlled oscillator, or the control signal to the oscillator, provides the useful output of the PLL system. [ بحاجة لمصدر ]

Phase detector Edit

A phase detector (PD) generates a voltage, which represents the phase difference between two signals. In a PLL, the two inputs of the phase detector are the reference input and the feedback from the VCO. The PD output voltage is used to control the VCO such that the phase difference between the two inputs is held constant, making it a negative feedback system. [15]


Different types of phase detectors have different performance characteristics.

For instance, the frequency mixer produces harmonics that adds complexity in applications where spectral purity of the VCO signal is important. The resulting unwanted (spurious) sidebands, also called "reference spurs" can dominate the filter requirements and reduce the capture range well below or increase the lock time beyond the requirements. In these applications the more complex digital phase detectors are used which do not have as severe a reference spur component on their output. Also, when in lock, the steady-state phase difference at the inputs using this type of phase detector is near 90 degrees. [ بحاجة لمصدر ]

In PLL applications it is frequently required to know when the loop is out of lock. The more complex digital phase-frequency detectors usually have an output that allows a reliable indication of an out of lock condition.

An XOR gate is often used for digital PLLs as an effective yet simple phase detector. It can also be used in an analog sense with only slight modification to the circuitry.

Filter Edit

The block commonly called the PLL loop filter (usually a low pass filter) generally has two distinct functions.

The primary function is to determine loop dynamics, also called stability. This is how the loop responds to disturbances, such as changes in the reference frequency, changes of the feedback divider, or at startup. Common considerations are the range over which the loop can achieve lock (pull-in range, lock range or capture range), how fast the loop achieves lock (lock time, lock-up time or settling time) and damping behavior. Depending on the application, this may require one or more of the following: a simple proportion (gain or attenuation), an integral (low pass filter) and/or derivative (high pass filter). Loop parameters commonly examined for this are the loop's gain margin and phase margin. Common concepts in control theory including the PID controller are used to design this function.

The second common consideration is limiting the amount of reference frequency energy (ripple) appearing at the phase detector output that is then applied to the VCO control input. This frequency modulates the VCO and produces FM sidebands commonly called "reference spurs".

The design of this block can be dominated by either of these considerations, or can be a complex process juggling the interactions of the two. Typical trade-offs are increasing the bandwidth usually degrades the stability or too much damping for better stability will reduce the speed and increase settling time. Often also the phase-noise is affected.

Oscillator Edit

All phase-locked loops employ an oscillator element with variable frequency capability. This can be an analog VCO either driven by analog circuitry in the case of an APLL or driven digitally through the use of a digital-to-analog converter as is the case for some DPLL designs. Pure digital oscillators such as a numerically controlled oscillator are used in ADPLLs. [ بحاجة لمصدر ]

Feedback path and optional divider Edit

PLLs may include a divider between the oscillator and the feedback input to the phase detector to produce a frequency synthesizer. A programmable divider is particularly useful in radio transmitter applications, since a large number of transmit frequencies can be produced from a single stable, accurate, but expensive, quartz crystal–controlled reference oscillator.

Frequency multiplication can also be attained by locking the VCO output to the نth harmonic of the reference signal. Instead of a simple phase detector, the design uses a harmonic mixer (sampling mixer). The harmonic mixer turns the reference signal into an impulse train that is rich in harmonics. [b] The VCO output is coarse tuned to be close to one of those harmonics. Consequently, the desired harmonic mixer output (representing the difference between the ن harmonic and the VCO output) falls within the loop filter passband.

It should also be noted that the feedback is not limited to a frequency divider. This element can be other elements such as a frequency multiplier, or a mixer. The multiplier will make the VCO output a sub-multiple (rather than a multiple) of the reference frequency. A mixer can translate the VCO frequency by a fixed offset. It may also be a combination of these. An example being a divider following a mixer this allows the divider to operate at a much lower frequency than the VCO without a loss in loop gain.

Time domain model of APLL Edit

The VCO frequency is usually taken as a function of the VCO input g ( t ) as

The loop filter can be described by a system of linear differential equations

Hence the following system describes PLL

Phase domain model of APLL Edit

Then the following dynamical system describes PLL behavior

Example Edit

Consider sinusoidal signals

and a simple one-pole RC circuit as a filter. The time-domain model takes the form

PD characteristics for this signals is equal [18] to

Hence the phase domain model takes the form

This system of equations is equivalent to the equation of mathematical pendulum

Linearized phase domain model Edit

Phase locked loops can also be analyzed as control systems by applying the Laplace transform. The loop response can be written as

  • θ o > is the output phase in radians
  • θ i > is the input phase in radians
  • K p > is the phase detector gain in volts per radian
  • K v > is the VCO gain in radians per volt-second
  • F ( s ) is the loop filter transfer function (dimensionless)

The loop characteristics can be controlled by inserting different types of loop filters. The simplest filter is a one-pole RC circuit. The loop transfer function in this case is

The loop response becomes:

This is the form of a classic harmonic oscillator. The denominator can be related to that of a second order system:

For the one-pole RC filter,

The loop natural frequency is a measure of the response time of the loop, and the damping factor is a measure of the overshoot and ringing. Ideally, the natural frequency should be high and the damping factor should be near 0.707 (critical damping). With a single pole filter, it is not possible to control the loop frequency and damping factor independently. For the case of critical damping,

A slightly more effective filter, the lag-lead filter includes one pole and one zero. This can be realized with two resistors and one capacitor. The transfer function for this filter is

This filter has two time constants

Substituting above yields the following natural frequency and damping factor

The loop filter components can be calculated independently for a given natural frequency and damping factor

Real world loop filter design can be much more complex e.g. using higher order filters to reduce various types or source of phase noise. (See the D Banerjee ref below)

Implementing a digital phase-locked loop in software Edit

Digital phase locked loops can be implemented in hardware, using integrated circuits such as a CMOS 4046. However, with microcontrollers becoming faster, it may make sense to implement a phase locked loop in software for applications that do not require locking onto signals in the MHz range or faster, such as precisely controlling motor speeds. Software implementation has several advantages including easy customization of the feedback loop including changing the multiplication or division ratio between the signal being tracked and the output oscillator. Furthermore, a software implementation is useful to understand and experiment with. As an example of a phase-locked loop implemented using a phase frequency detector is presented in MATLAB, as this type of phase detector is robust and easy to implement.

In this example, an array tracksig is assumed to contain a reference signal to be tracked. The oscillator is implemented by a counter, with the most significant bit of the counter indicating the on/off status of the oscillator. This code simulates the two D-type flip-flops that comprise a phase-frequency comparator. When either the reference or signal has a positive edge, the corresponding flip-flop switches high. Once both reference and signal is high, both flip-flops are reset. Which flip-flop is high determines at that instant whether the reference or signal leads the other. The error signal is the difference between these two flip-flop values. The pole-zero filter is implemented by adding the error signal and its derivative to the filtered error signal. This in turn is integrated to find the oscillator frequency.

In practice, one would likely insert other operations into the feedback of this phase-locked loop. For example, if the phase locked loop were to implement a frequency multiplier, the oscillator signal could be divided in frequency before it is compared to the reference signal.


3. Rules

3.1. لما؟

3.1.1. Determine what happens

3.1.2. Create a nontechnical model of the microinteraction

3.1.3. They define what can and cannot be done, and in what order

3.1.4. 1. Determine the goal of the microinteraction

3.1.4.1. Understandable (I know why I'm doing this) and achievable (I know I can do this) Goal - end state ex: login - goal: to get the user logged in [not just to enter a user and pass]

3.1.5.1. how the microinteraction responds to the trigger being activated

3.1.5.2. what control the user has (if any) over a microinteraction in process

3.1.5.3. the sequence in which actions take place and the timing

3.1.5.4. what data is being used and from where

3.1.5.5. the configuration and parameters of any algorithms

3.1.5.6. what feedback is delivered and when

3.1.5.7. what mode the microinteraction is in if the microinteraction repeats and how often one time activity or does it loop? what happens when the microinteraction ends?

3.2 مثال

3.2.1. Initial: 1. On an item page, user clicks Add to Cart button. 2. The item is added to the Shopping Cart

3.2.2. Upgraded: 1. On an item page, check to see if the user has purchased this item before. If so, change the button label from Add to Cart to Add Again to Cart. 2. Does the user already have this item in the cart? If so, change Add to Cart to Add Another to Cart. 3. The user clicks button. 4. The item is added to the Shopping Cart

3.3 مبادئ

3.3.1. Principle 1: Don't start from zero!

3.3.1.1. First question after trigger: what do I know about the user and the context?

3.3.1.2. (platform/device, time of day, battery life, location, user's past actions etc)

3.3.2. Principle 2: Absorb complexity

3.3.2.1. All activities have an inherent complexity there is a point beyond which you cannot simplify a process any further

3.3.2.2. What to do with that complexity: either the system handles it -> removes control from the user or the user -> more decisions, more control

3.3.2.3. Suggested: handle most of the decision making if possible.

3.3.2.4. Complexity? Which parts the user might like to have and when?

3.3.2.5. Limited options and smart defaults

3.3.2.5.1. The best way to keep rules to a minimum is to limit options

3.3.2.5.2. The most prominent default should be the action that most people do most of the time

3.3.3. Principle 3: Use rules to prevent errors

3.3.3.1. ex: Apple chargers vs. USB

3.3.3.2. ex: Gmail "I've attached" with no attachments

3.3.3.3. Make human errors impossible. Keep copy short. Never use instructional text where a label will suffice.


4.9 Summary

System Dynamics is a methodological approach that is used to implement a conceptual model of a system into a computer model. System Dynamics software takes diagrammatic notations (“Stock and Flow diagrams”) as input and calculates the flows between stocks by using partial differential equations. The result is the temporally continuous dynamic behaviour of the stocks in a system over time. The below table shall sum up, what we have discussed in this chapter:

  • One-stock systems can exhibit growth or decay (linear, exponential, logistic), stable equilibria and oscillations (caused by delay).
  • Two-stock systems additionally can result in oscillations (mutually connected stocks) and multiple equilibria.
  • Three-stock systems additionally can exhibit chaotic behaviour.

مراجع

Lorenz, Edward. 1972. Predictability: Does the Flap of a Butterfly’s Wing in Brazil Set Off a Tornado in Texas? na.


شاهد الفيديو: التغذية الراجعة السلبية. أحياء. التحصيلي علمي. 1441-1442 (قد 2022).


تعليقات:

  1. Aghaderg

    لماذا لا يزال الاشتراك مجانيًا؟ )

  2. Alvy

    أتمنى لك التوفيق في البحر والمنازل الريفية الصيفية بجوار البحر! لا تتحدث هراء! لم يضيع اليوم دون جدوى الرجل نفسه مارس الجنس سعادته. أنت وأنا نفس الأرداف الحمار. نخب عن النساء: ليس جيدًا معك ، سيئًا بدونك. نقش الهباء الجوي الكبير على المستشفى: "مهلا ، مثلي الجنس ، .. طائشة !!!"

  3. Huxford

    مبروك ، فكرتك جيدة جدا

  4. Stok

    معلومات رائعة وقيمة

  5. Patricio

    سوف يكون هناك تتمة؟

  6. Hide

    في gonivo



اكتب رسالة