Соколов О.Л., Голод О.С., Войцеховский А.Б. Радиоавтоматика. Письменные лекции (2003)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИГосударственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образованияСЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТО.Л.Соколов, О.С.Голод, А.Б.ВойцеховскийРАДИОАВТОМАТИКАУтверждено редакционно-издательским советом университетав качестве письменных лекцийСанкт-Петербург20032УДК 621.396: 537.81Соколов О.Л., Голод О.С., Войцеховский А.Б.Письменные лекции .- СПб.: СЗТУ, 2003 .- 72 с.Радиоавтоматика :Рассматриваются основные вопросы теории автоматического управления ; типовые входные сигналы, типовые динамические звенья и основные характеристики систем радиоавтоматики ; основные виды аналоговых, импульсных и цифровых систем радиоавтоматики.Письменные лекции разработаны на основе Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениюподготовки дипломированных специалистов 654200 (специальность 200700радиотехника) и направлению подготовки бакалавров 552500 (специальность200700-радиотехника).Рассмотрено на заседании кафедры радиотехники 9 декабря 2002 г..Одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 21 января 2003 г.Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (заведующий кафедройГ.И.Худяков, д-р техн.

наук, проф.) ; В.Н.Жемчугов, канд. техн. наук, доц.С-Петербургского государственного университета телекоммуникаций. Северо-Западный государственный заочный технический университет, 20033Введение"Радиоавтоматика" является базовой дисциплиной, посвященной изучению принципов построения, методов анализа и синтеза автоматических радиотехнических систем и устройств."Радиоавтоматика" является прикладной дисциплиной, базирующейсяна общей теории автоматического регулирования и управления.Автоматическое управление любым техническим процессом предусматривает создание системы, состоящей из объекта управления и связанного сним управляющего устройства.

Такая система должна быть способной выполнять свои функции с требуемой точностью, несмотря на ее инерционные свойства и действия всевозможных помех.Первыми техническими устройствами, в которых использовались автоматические регуляторы, были часовые механизмы. В 1675 году Н.Гюйгенсвстроил в часы маятниковый регулятор хода. Бурное развитие автоматическихрегуляторов началось с изобретением паровой машины. В 1765 г. русский механик И.И.Ползунов изобрел регулятор питания котла паровой машины, автоматически поддерживающий заданный уровень воды в котле.

Им же впервыебыл предложен и принцип регулирования по отклонению. В 1784 г. английский механик Дж.Уатт изобрел центробежный регулятор скорости паровой машины. В 1808 г. французский механик Ж. Жоккар изобрел первое программноеустройство управления по перфокарте ткацким станком для воспроизведениязаданных узоров.Автоматические регуляторы Ползунова, Уатта, Жоккара открыли путьпотоку изобретений регуляторов и принципов регулирования.Основы научного подхода к проектированию автоматических регуляторов были заложены трудами английского ученого Дж.Максвелла (1866 г., "Орегуляторах") и русского ученого И.А.Вышнеградского (1876 г., "Об общейтеории регуляторов").Максвелл и Вышнеградский осуществили системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему, совершили переход к исследованию малых колебаний в системе, линеаризовав сложные дифференциальные уравнения.

Это позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнообразных по принципу действия иконструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить рядважных закономерностей регулирования по принципу обратной связи.Крупный вклад в теорию автоматического регулирования внесли работывеликого русского ученого Н.Е.Жуковского (1909 г., "Теория регулированияхода машин") и труды русского математика А.А.Ляпунова, исследовавшего устойчивость автоматических систем, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями.4Четкое понимание того, что работа любых автоматических устройств,независимо от их физической природы, основана на общих принципах и можетбыть рассмотрена с единых позиций, пришло в 40-е годы двадцатого столетия.В это время сформировалась автоматика как самостоятельная научная дисциплина (советские ученые -А.Н.

Колмогоров, Н.А .Крылов, Н.Н. Боголюбов, А.В.Михайлов, Л.С. Понтрягин и др.)В настоящее время развитие автоматики идет по пути разработки и широкого внедрения цифровых методов, устройств и систем, использующихцифровую технику и ЭВМ.1. Основные понятия и определенияСовокупность устройств, обеспечивающих автоматический процессуправления, называется автоматической системой.Основными элементами автоматической системы являются объектуправления и управляющее устройство.Любая автоматическая система является информационной системой, поскольку внутри ее циркулируют потоки информации.Носителями информации являются сигналы.Информацией называется любая совокупность сведений, первичным источником которых является опыт.Различают начальную и рабочую информацию.

Начальная (априорная)информация - это совокупность сведений о процессе управления, необходимыхдля построения и функционирования системы управления. Рабочая информация - это совокупность сведений о состоянии процесса, используемая в процессе управления.Работа любой системы радиоавтоматики происходит в условиях действия различных помех. Помехи вносят дезинформирующие действия в процессуправления.Управлением называется любое действие, основанное на использованииинформации и вносящее желаемое изменение в процесс, подлежащий управлению.Регулирование - это частный случай управления, при котором желаемоесостояние объекта управления обеспечивается путем стабилизации одной илинескольких физических величин относительно заданных значений.Большинство современных систем радиоавтоматики строится на основеиспользования принципа регулирования по отклонению.

Данный принцип предусматривает отрицательную обратную связь выхода системы с ее входом. Врезультате этого система получается замкнутой. На схеме (рис.1.1) на элементсравнения (ЭС) через задатчик (З) поступает входное управляющее воздействие x (t). От датчика (Д) поступает сигнал обратной связи у (t). Назначение задатчика (З) и датчика (Д) - преобразование сигналов x (t) и у (t) в форму5электрических напряжений.

В некоторых системах радиоавтоматики З и Д могут отсутствовать.На выходе элемента сравнения (ЭС) образуется сигнал ошибки ε(t), который усиливается в усилителе (У). Выходной сигнал усилителя (У) воздействует на исполнительный элемент (ИЭ), который в свою очередь воздействуетна объект управления (ОУ) так, чтобы все время сводить сигнал ошибки к минимуму.Кроме входного управляющего воздействия x (t), на систему радиоавтоматики действуют различные возмущения z 1 (t), z 2 (t), …, z n (t).Рис.1.1. Схема системы, работающей на основепринципа регулирования по отклонениюПомимо указанных элементов, в систему радиоавтоматики могут входить корректирующие элементы (КЭ), необходимые для придания системе требуемых качественных показателей при надлежащем запасе устойчивости.Система является устойчивой, если, выведенная из состояния равновесия каким-либо возмущением, возвращается в исходное состояние после устранения этого возмущения.Наряду с принципом регулирования по отклонению, в ряде случаев всистемах радиоавтоматики применяется принцип регулирования по возмущению, сущность которого сводится к компенсации возмущения.

Этот принципреализуется в разомкнутых системах. Достоинством принципа регулированияпо возмущению является простота реализации. Недостаток этого принципа отсутствие контроля выходной величины у (t), исключающее ее воздействиена объект управления (регулирования).В ряде случаев применяют комбинированные системы радиоавтоматики,сочетающие оба принципа регулирования.Контрольные вопросы1. Какие элементы автоматической системы являются основными ?2. В чем заключается отличие принципа регулирования по отклонениюот принципа регулирования по возмущению ?3. Для чего предназначены в автоматической системе элементы, называемые датчиком и задатчиком ?64.

В чем заключается назначение в автоматической системе корректирующих элементов ?5. Какая автоматическая система считается устойчивой ?2. Классификация систем радиоавтоматикиВ связи с большим разнообразием систем радиоавтоматики их классифицируют по целому ряду признаков. К таким признакам относятся: принципрегулирования, вид сигнала ошибки, вид статических характеристик и т.д.1) По принципу регулирования системы радиоавтоматики (РА) разделяют на замкнутые системы, в которых реализуется принцип регулирования поотклонению, и разомкнутые системы, в которых реализуется принцип регулирования по возмущению.2) По виду сигнала ошибки системы РА разделяют на непрерывные, вкоторых сигнал ошибки представляет собой непрерывную функцию времени,что обусловлено аналоговой формой входного воздействия x (t), и дискретные,в которых сигнал ошибки имеет прерывистый характер во времени, что обусловлено естественной или искусственной дискретизацией во времени входного воздействия.3) По виду статических характеристик системы РА разделяют на линейные, в которых зависимость выходного процесса от входного воздействия является линейной, и нелинейные, в которых эта зависимость описывается нелинейной функцией из-за того, что один или несколько звеньев системы имеютнелинейную статическую характеристику.4) По характеру начальной информации системы РА разделяют наобыкновенные ( с полной начальной информацией) и кибернетические ( с неполной начальной информацией).5) В свою очередь обыкновенные системы разделяют в зависимости отвида входного воздействия :- на стабилизирующие системы, в которых входное воздействиепредставляет собой постоянную величину;- системы программного регулирования, в которых входное воздействие изменяется по заданной программе;- cледящие системы, в которых входное воздействие изменяетсяпроизвольно.6) Кибернетические системы РА разделяют :- на адаптивные, в которых структура и способ функционированияизменяются целенаправленно для обеспечения оптимального функционирования объекта;- игровые, в которых процесс управления рассматривается как иградвух и более сторон.73.