Радиоавтоматика - Коновалов Г.Ф. Москва, 1990

Г. Ф. Коновалов РадиоЯВтоматика Допущено Государственным комитетом СССР по НаРодиому образоВанию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Радиотехника» ы' МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1990 ББК 32.64 К 64 УДК 621.396.6.52 Коновалов Г. Ф. К64 Радиоавтоыатика: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника».— Мл Высш. шк., 1990.— 335 сл ил, 15 В)ч) 5-06-001539-4 В книге нвлож пы поинп и деаствие, способы математического описания, методы анализа качества работы, сивтева и моделирования систем радиоавтоматикп: расслштрены структурные схемы; дан ввалив устоачнвостя, точности и сиитева непрерывных и цвфровых систем радиоавтоматнки. Большое внимание уделенО математическому описанию п оценке характеристик вепрерывпых я ци4гровых систем методамя пространства состояние, а также основам теории овтнмальпоб фильтрации н способам моделирования на аналоговых и цифровых вычислительных машияах.

2302020100(4309000000) †4 К 188 — 90 001(01) — 90 ББК 32,34 6Ф6.8 15 В)ч) 5-06-001539-4 © Г, Ф. Коновалов, 1990 Рецензенты: кафедра «Радиосистемы» Ленинградского вдектротехиического института им. В. И. Ульянова (Ленина), кафедра «Радиопередающие устройства и радиотехнические системы» Минского радиотехнического института ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемая читателю книга является учебником по курсу «Радиоавтоматнка», включенному в учебные планы радиотехнических вузов и факультетов. В книге рассматриваются основы теории, методы анализа, проектирования и моделирования непрерывных и цифровых систем радиоавтоматики, применяемых в различных по назначению радиотехнических устройствах и системах радиоуправления.

В гл. 1 — 9 излагаются методы математического описания, анализа и проектирования непрерывных систем радиоавтоматнки, в гл. 10 н 11 анализируются цифровые системы, в гл. 12 описаны основные методы анализа нелинейных систем, в гл. 13 рассмотрены основные принципы работы и проектирования оптимальных и адаптивных систем, в том числе самонастраивающихся н экстремальных, в гл. 14 даны методы моделирования систем радиоавтоматикн с помощью ЭВМ.

В конце книги приведены задачи различной сложности, которые могут быть использованы студентами при самостоятельной работе н преподавателями при проведении практических занятий. Материал в книге расположен таким образом, чтобы соблюдался принцип перехода от простого к сложному. Книга написана по материалам лекций, читаемых автором более 25 лет на факультете радиоэлектроники летательных рппаратов Московского авиационного института им, С, Орджоникидзе. Автор выражает глубокую признательность за внимание и поддержку, оказанную при написании учебника, проф., д-ру техн, наук В. Т. Фролкину, проф., д-ру техн. наук П. А. Бакулеву, проф., д-ру техн.

наук В. И. Самойленко, проф., д-ру техн. наук Ю. И. Судакову, доц., канд. техн. наук А. М. Бонч-Бруевичу, доц„канд. техн. наук 1О. И. Гришаеву и другим товарищам, принявшим участие в обсуждении рукописи. Автор благодарит рецензентов рукописи: кафедру «Радиосистемы» Ленинградскего электротехнического института им. В.

И. Ульянова (Ленина) (зав. кафедрой— проф., д-р техн. наук Ю. М. Казарииов) н кафедру «Радиопередаюшнх устройств н радиотехнических систем» Минского радиотехнического института (зав. кафедрой— проф. А. Ф. Апоровнч) за полезные советы, способствовавшие улучшению учебника. Предложения по улучшению книги можно направлять по адресу: 101403, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д, 29/14, издательство «Высшая школа», Автор ВВЕДЕНИЕ В современных радиотехнических устройствах различного назначения и системах радноуправления широко применяются автоматические системы, которые называют системами радиоавтоматики (сиетел1алли РА).

К числу таких систем относятся устройства фазовой и частотной автоподстройки частоты, автоматической регулировки усиления, системы измерения координат движущихся объектов, измерители дальности, различные следящие фильтры и др. Выделение систем РА в самостоятельный класс обусловлено их особенностями, связанными с условиями работы в составе радиотехнических устройств и систем радиоуправления, в которых осуществляется обработка параметров радиосигнала прн действии различного вида помех, Надежность и качество работы систем РА во многом определяют характеристики радиоаппаратуры и систем радиоуправления. Системы РА начали применяться в 30-х годах нашего столетия для автоматической регулировки усиления в радиоприемниках. Развитие радиотехнических устройств, непрерывное усложнеяие решаемых нми задач привело не только к повышению требований к качеству работы систем РА, по и к их функциональному усложнению, в результате чего многие технические задачи уже не могут быть решены с помощью систем РА, базирующихся на аналоговой технике.

Поэтому в настоящее время в радиоустановках и систеьгах радиоуправлення широко приме. няются цифровые системы РА, построенные на базе современной микроэлектроники и микропроцессорной техники. Методы анализа и проектирования современных систем РА могут быть разбиты на две группы. Первая группа основывается на хорошо известных преобразованиях Лапласа, Фурье и Я-преобразовании.

Вторая группа ис- пользует понятие пространства состояния и позволяет оценивать процессы в системах РА в области действительного переменного. Применение второй группы методов связано с выполнением большого объема сложных вычислений, которые могут быть осуществлены на ЭВМ. Поэтому при анализе и проектировании систем РА в настоящее время большую роль играют методы моделирования как на аналоговых вычислительных машинах, так и на цифровых.

Отметим, что методы анализа и проектирования систем РА основаны иа общей теории систем автоматического управления, большой вклад в развитие которой внесли советские ученые А. А. Андронов, Н. Н. Боголюбов, В. С. Кулебакин, А. В. Михайлов, В. А. Бесекерский, Е. П. Попов, В. С. Пугачев, И. Е. Казаков, В. В. Солодовников, Я. 3. Пыпкин н многие другие. Изложение основ указанных методов анализа и проектирования применительно к системам РА является основной задачей книги.

Очевидно, что изучение последующих дисциплин учебного плана подготовки радноспециалистов должно базироваться на тех знаниях, которые студенты получат после ознакомления с курсом «Радноавтоматика», гллел ~ ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ й ЕЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Системы РА функционируют на основе автоматического измерения и дальнейшего преобразования входного сигнала, в качестве которого могут использоваться различные параметры сигналов: электрическое напряжение в системах стабилизации источников питания, частота или фаза напряжения в системах автоматической подстройки частоты, направление прихода радиолокационного сигнала в системах автоматического сопровождения станций (РЛС) по угловым координатам. Всякий процесс управления, функциональная схема которого приведена на рис.

1.1, подразумевает наличие некоторого устройства — объекта управления (ОУ), режим работы которого автоматически изменяется в соответствии с сигналом управления и('(), сформированным в устройстве управления (УУ) по управляющему воздействию яг'1). Например, в системе фазовой автоподстройки частоты объектом управления является генератор, частота колебаний напряжения которого (выходной сигнал системы) автоматически поддерживается на заданном уровне, определенном частотой входного сигнала.

В системе автоматического сопровождения цели РЛС объектом управления является электромеханическое устройство — антенна РЛС, продольная ось которой автоматически следит за направлением на сппровождаемую цель, Угол отклонения продольной оси антенны от выбранного направления отсчета углов определяет выходной сигнал системы автоматического сопровождения цели РЛС, Выходной сигнал объекта управления у(г) называют регулируемым, он измеряется с помощью специального датчика (Д), связанного с объектом управления.

Очевидно, что измерение связано с ошибками, возникающими из-за шума измерения (на рис. 1.1 это обстоятельство учитывается введением дополнительного сигнала д„(1)]. Объект управления работает в условиях изменения окружающей среды (температуры, давления, влажности н т. и.), колебаний напряжений источников питания.

Влияние этих факторов в функциональной схеме учитывается введением случайного спгнала й(1), который называют возмуигаюи(и и воздействием. Изменение режима работы объекта управления осуществляется сигналом управления и(1), который выра- лА/ х(с/ Щ УФ/ а) Рис. 1.1. Схема системы РА: е — раааиииутаа; б — ааииаутей батывается во второй части системы — устройстве управления, Требуемый характер управления выходным сигналом определяется управляющим воздействием (входным сигналом) х(1).

В зависимости от принципа формирования сигнала управления и(1) различают два основных вида систем РА: разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах (рис. 1.1, а) сигнал управления зависит только от управляющего воздействия: и(1) =)(х). (1.!) В таких системах РА обеспечивается заранее заданная функциональная связь между управляющим воздействием и выходным сигналом. Из-за помех, действующих на систему, и нестабильности устройств не удается получить высокую точность работы разомкнутых систем РА, поэтому их применяют редко. В замкнутых системах или в системах с обратной связью (рис, 1.1, б) сигнал управления формируется на основании измерения управляющего воздействии и вы- ходного сигнала; Рис.

1,2. Фуккцкокалькак схема одцоконтуркой скстемы Ркс. 1.3. Фуккциовахькая схеык системы с коыцексаццей возцу- щения системы на ее вход, называют сигналом обратной связи, разность е(т') = у(1) — у„(1) (1.3) — сигналом рассогласования или сигналом ошибки, а устройство, измеряющее е(1), — измерителем рассогласования, который совместно с устройством управления и(т) = ) (х, дк). (1.2) Выражения (1.1) и (1.2) называют алгоритмами или законами управления систем РЛ. За счет обратной связи влияние на ка:ество работы замкнутых РА помех и нестабильности устройств в значительной степени компенсируется.