Непрерывные системы автоматики (Учебное пособие - Непрерывные системы автоматики)

ББк зг.в4 326 УДК 621.366.6.52 Рецензенты: д,т.н. В.А. Каплун, д.т.н. Ю.С. Чесноков 3 26 Брызгалова Г.Г., Замуруев С.Н. Непрерывные снстй») мы радиоавтоматики: Учебное пособие / Московский государсзй венный институт радиотехники, электроники и ачтоматики 1тей» ' ннческий университет) — М., 2003. — 100 с, 13вм 5-?336-0245-0 В настоящем учебном пособии рассмотрены вопросы по.'; строения и анализа основных систем радиоавтоматики: ЧАХ1," ФАП, ФАПЧ, АСД и АСН. Даны основные определения и празьь ла струкгурных преобразований. Приведены математические соотношения.

лежащие в основе струк1урных схем рассматриваемых систем. Рассмотрены примеры анализа систем радиоавтоматики. Учебное пособие предназначено в помощь студентам всех форм обучения по специальности 200700 - Радиотехника, 201600 — Радиоэлектронные системы, О?1560:- Радиофизика и электроника при изучении курса Радиоавтоматика Таблиц нет. Ил.бй. Библиогр.: 5 шов.

Печатается по решенизо редакционно-издательского совета Московского Государственного:инспггута» радиотехники, электроники и автоматики 1техиического университета). В Г.Г.Брьпгалова, С.Н. Замуруев, 2003 1. ВВЕДЕНИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ (РА) 1.1. Общие сведении о системах РА В курсе РА рассматриваются принципы построения, методы анализа и синтеза автоматических систем, входящих в состав современных радиосистем различного назначения. Впервые системы РА появилнсь в 30-х годах нашего столетия'. Это были системы АРУ и АПЧ специальных радиоприемников.

В настоящее время такие системы содержат все радио- и телевизионные приемники. Далее, с развитием и усложнением радиосистем, с появлением радиолокации (р/л), радионавигации (р/н) и радноуправления (р/у) возникла необходимость автоматического измерения координат наблюдаемых объектов в радиолокационных системах, автоматического измерения собственных координат движущихся объектов в радионавигационных системах.

автоматического управления движущимся объектом и системах радиоулралления и, наконец, автоматического обеспечения связи между передающей н приемной радиостанциями в системах радиосвязи (р/с). Таким образом, областью применения систем РА, являются р/л, р/н. р/с и р/у. Рассмотрим далее, нз каких основных узлов состоят системы РА. Они содержат два основных узла: управляющее устройство (УУ) и объект управления (ОУ).

/„аД, Рис. 1.1 На один вход УУ поступает радиосигнал и(/, 1), принятый антеннсй, усиленный и преобразованный в приемном устройстве. Этот радиосигнал содержит некоторое полезное сообщение, или информацию, заключенную в значении параметра радиосигнала Хф. Этот информативный параметр называют задаклцнм воздействием (ЗВ). В качестве информативного параметра может использоваться ампльпуда (А), частота (в), фаза (ср) нли время задержим радиосигнала (т). На второй вход УУ поступает опорный радиосигнал л(б 3с), содержащий опорное значение того же параметра 3с.

В УУ производится сравнение параметров-приходящего ц~': опорного радиосигналов и в результате сравнения вырабатывает- ' ся управляющее воздействие (УВ) х(г) — некоторое напряжение1 служащее для изменения состояния объекта управления ОУ. ОУ вЂ” некоторое перестраиваемое радиотехническое устройство. параметры которого меняются под действием УВ. Система управления в принципе может работать при использова-, нии разамкнупл о или замкнупя о контура управления.

На рис. 1 1 изо-;: бражаю система с разомкнутым контуром управиния. В этом случае система работает по заранее заданной программе, и информация о ре-. зультатах работы системы в процессе регулирования не используется. Более совершенными являлися снегемы, нслользукнцие замкнутый контур управления, или системы с обрапюй связью (рис. 12.) В системах РА используется замкнутый контур управления. Рис.

1.2 В этом случае в качестве опорного используется выходной радиосигнал ОУ у(», х), содержащий измеренное системой значение параметра входного сигнала х(г). В УУ осуществляется сравнение ЗВ Х(г) с тем же параметром ' (г) опорного радиосигнала и в зависимости от величины и знака отличия между ними, вырабатывается УВ соответствующей величины н знака Управляющее воздействие х(г) изменяет состояние ОУ таким образом, чтобы параметр его выходного радиосигнаяа х(г) стал наиболее близким к значению ЗВ ь(г). При изменении ЗВ Х(1) соответствующим образом изменяется и Х(г), то есть, можно сказать, что Х(г) следит за изменением ЗВ. Позтому системы РА являются следящими системами или системами сопровождения.

1.2. Назначение основных функциональных узлов систем РА Рассмотрим вначале принцип работы УУ. Она состоит из 2- х узлов: дискриминатора Д и фильтра Ф (рнс. 1.3): Д вЂ” наиболее важный и сложный узел системы РА. Он выполняет две функции: 1) сравнивает параметры входного н опорного сигналов; 2) вырабатывает напряжение, пропорциональное результату сравнения. Сравнение параметров Х(г) н Х(г) осуществляется пугем образования разницы пх(9)=Цг)-Х(г), которая называется рассогласованием или ошибкой сопровождения. В зависимости от величины и знака Л1.(г) Д вы)жбатывает полезное напряжение 2(ЛХ), которое называется напряжением ошибки, Зависимость 2(ЬХ) называется характеристикой дискриминатора, Эта характеристика в наиболее обобщенном виде выглядит следующим образом (рис.

1.4): Характеристика обобщенного Д имеет три основные особенности." 1) линейность при малых рассогласованиях; 2) нечетная симметрия; 3) независимость от амплитуды принимаемого радиосигнала. Первые два свойства характеристики вытекают нз ее формы. л~й) Рабочим участком Д является участок [-Ы,Ж,,Ш), который примерно равен размеру линейного учаспса.

Крутизна ш~- нейного участка Д, определяемая как: , и размер линейного участка являются основах(ы)! ЖХ ными характеристи ками Д. Крутизна Яд является:коэффициентом передачи Д, характеризующем эффективнесп* преобразования раюогласования Ы в полезное напряжение. Размерность сев (В~ ра). Выделяют ещерастеор характеристики Д б, определяемый на уровне 5+10% от 2 Третье свойство характеристики Д из ее формы не вытекает и обеспечивается только за счет поддерлшния постоянной амплитуды входного сигнала н(б Х), что достигается путем применения эффективной системы АРУ в каскадах приемника, предшествующих системе РА Рассмотрим теперь назначение фильтра Ф.

На вход системы РА полезный сигнал в(б Х) приходит в алдитивной смеси с шумовым сигналом и (1) (рис. !.3). Наличие случайной компоненты на входе Д вызывает появление случай- ного напряжения и на его выходе. Таким образом выходное напряжение 0 состоит из двух слагаемых: полезного напряжения .с (ЬХ) и случайной компоненты ~ (1, ЬХ): „(ь Ю)= (Ю)+Ф, ь1). Случайная компонента г, (», ЬХ) на выходе Д. является результатом сложных преобразований входных шумов в Д. Она является мешающим напряжением, маскирующим полезное напряжение У (ЬХ) н осложняющим рабату систем РА. Задача разделения полезной и мешающей компонент в общем случае не является тривиальной и решается обычно методами оптимальной линейной фильтрации. Таким образом, назначение Ф вЂ” в наилучшей степени пропустить полезное напряжение Х (Ы) и максимально ослабить случайную компоненту г, (б ЬХ).

Поскольку спектр сигнала Я(ЬЬХ) лежит в области низких частот, а г, (б Ю.) — широкополосные флюктуации, в качестве Ф в простейшем случае может использоваться ФНЧ (рис. 1.5). Б,(а) — спектральная плотность полезного сигнала е (б ЬХ) (Вт/Гц); Бе(ге) — спектральная плотность случайного сигнала г, (г, ЬХ) (Вт/Гц); ~Ильге)~' — квадрат модуля комплексной передаточной функции Ф. ОУ в системах РА — некоторое динамическое радиотехническое устройство, параметр которого * (г) меняется при изменении УВ х(г). Основная часть характеристики ОУ вЂ” линейна, что- бы сохранить пропорциональность между Х(г) и х(г) (рис. 1.б).

Крутизна линейного участка характеристики где Лв — среднее значение 1, параметра О1г характеризует эффективность преобразования УВ в величину параметра, размерность ее [параметр/В1. 1З. Классификации систем РА 1. По отслеживаемому паоаиетру. Как отмечалось выше, поскольку в системах РА осуществляется автоматическое непрерывное измерение параметров приходящих радиосигналов или радиоволн, они являются следящими измерительными устройствами.

В зависимости от того, в каком из параметров радиосигнава или радиоволн заключена полезная информация, различают системы автоподстройки часготы (АПЧ или ЧАП), аатоподстройки фазы (АПФ или ФАП), автоматического сопровождения по дальности (АСД) и автоматического сопровождения по угловым координатам или углового сопровождения (УС). 2. По виду ди4ференциального уравнения.

Каждый процесс регулирования может быль описан некото- рым дифференциальным уравнением (ДУ). В зависимости от характера этого уравнения, различают следующие системы РА: а) линейные и нелинейные. Линейные системы РА те, к которым применим принцип суперпозицин. Если же хотя бы один из узлов системы РА в данных условиях не может считаться линейным, вся система будет являться нелинейной.

В системах РА в общем случае нелинейным является Д ввиду нелинейности его характеристики. Если же работа системы происходит прн малых рассогласованиях Ы„то есть на линейном участке характеристики Д. он может быть заменен линейнь|м эквивалентом и вся система в этом случае может считаться линейной. В тех же случаях, когда этого сделать нельзя.