u(t)

Радиоавтоматика
Для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника»
Материалы для сопровождения лекций
Введение
Основные понятия
Системы радиоавтоматики
Иллюстративный материал к лекциям по
Радиоавтоматике
Автор Самусевич Г.А.
2012 г.
Процесс управления
• Всякий процесс управления, подразумевает
наличие некоторого устройства — объекта
управления (ОУ), режим работы которого
автоматически изменяется в соответствии с
сигналом управления u(t), сформированным в
устройстве управления (УУ) по управляющему
воздействию x(t).
Схема системы РА
g(t)
gu(t)
n(t)
x(t)
f(t)
УУ
u(t)
ОУ
y(t)
Д
yu(t)
a)
g(t)
gu(t)
n(t)
x(t)
f(t)
УУ
u(t)
ОУ
y(t)
Д
yu(t)
б)
Рис. 1.1. Схема системы РА: а – разомкнутой; б – замкнутой
Примеры систем РА
• система фазовой автоподстройки частоты
– объект управления – генератор,
– Выходной сигнал – частота колебаний - автоматически
поддерживается на заданном уровне, определенном
частотой входного сигнала.
• система автоматического сопровождения цели РЛС
– объект управления - электромеханическое устройство —
антенна РЛС, продольная ось которой автоматически следит
за направлением на сопровождаемую цель.
– выходной сигнал - угол отклонения продольной оси
антенны от выбранного направления отсчета углов
Выходной сигнал
• Выходной сигнал объекта управления y(t) называют
регулируемым
• Выходной сигнал измеряется с помощью
специального датчика (Д), связанного с объектом
управления.
• Измерение связано с ошибками, возникающими из-за
шума измерения
• Шум учитывается введением дополнительного
сигнала g(t)
Сигнал управления
• Изменение режима работы объекта управления
осуществляется сигналом управления u(t),
•
u(t) вырабатывается во второй части системы —
устройстве управления.
•
Требуемый характер управления выходным сигналом
определяется управляющим воздействием (входным
сигналом) x(t).
• В зависимости от принципа формирования сигнала
управления u(t) различают два основных вида систем РА:
– разомкнутые
– замкнутые
Разомкнутые системы РА
• Сигнал управления зависит только от управляющего
воздействия:
u(t)=f(x)- алгоритм или закон управления систем 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.
Замкнутые системы
• В замкнутых системах или в системах с обратной
связью сигнал управления формируется на
основании измерения управляющего воздействия и
выходного сигнала:
u(t) = f(x,yu) -алгоритм или закон управления систем РА.
• За счет обратной связи влияние помех и
нестабильности устройств на качество работы в
значительной степени компенсируется.
• Качество их работы намного выше, чем в
разомкнутых системах.
Влияние помех (1)
• Помимо управляющего воздействия на вход систем
РА воздействуют различные помехи n(t),
снижающие качество работы систем.
• Например,
в системах автоматического сопровождения РЛС
– флуктуациями сигнала из-за неоднородности диаграммы
отражения цели,
– перемещением центра отражения радиолокационного сигнала
по цели,
Влияние помех (2)
• В радиотехнических устройствах большое
распространение получили системы, в которых
сигнал управления и(t) формируется по измеренному
отклонению выходного сигнала от входного
воздействия f (t)
n(t)
x(t)
УУ
ОУ
y(t)
Д
Регулятор
yu(t)
Рис. 1.2. Функциональная схема одноконтурной системы
gu(t)
g(t)
Д
x(t)
УУ
u(t)
ОУ
y(t)
Рис. 1.3. Функциональная схема системы c компенсацией возмущения
Системы с отклонением
(рассогласованием)
• Сигнал, поступающий с выхода системы на ее вход,
называют сигналом обратной связи,
• Разность
e(t) = f(t) – yu(t) — сигнал рассогласования
или сигналом ошибки,
• Устройство, измеряющее e(t)—измеритель
рассогласования, который совместно с устройством
управления образует регулятор системы РА.
Системы с компенсацией
возмущающих воздействий
• Возмущающее воздействие измеряется датчиком (Д)
и используется для формирования сигнала
управления u(t).
•
При выполнении определенных соотношений можно
добиться того, чтобы выходной сигнал не зависел от
возмущающего воздействия g(t), что является
достоинством таких систем управления
Система АПЧ
• Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ)
применяются в
– радиоприемных устройствах,
– доплеровских системах измерения скорости подвижных
объектов,
– устройствах частотной селекции сигналов
• Рассмотрим систему АПЧ радиоприемного
устройства, предназначенную для поддержания
промежуточной частоты сигнала на заданном уровне
(рис. 1.4).
Uс
СМ
(ωc)
УПЧ
ЧД
(ωпр)
(ωг)
Uг
Г
ФНЧ
Рис. 1.4. Функциональная схема АПЧ
Uд
Принцип работы АПЧ (1)
• Входной сигнал - напряжение uc(t) частотой пр
– преобразуется в смесителе (СМ) в напряжение
промежуточной частоты пр,
– усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и
– подается на частотный дискриминатор (ЧД).
• Если
– промежуточная частота сигнала отличается на  от ее номинального
значения, равного центральной частоте УПЧ,
• то
– на выходе ЧД возникает напряжение, значение и знак которого зависят от
значения и знака отклонения промежуточной частоты .
Принцип работы АПЧ (2)
• Напряжение с ЧД через фильтр нижних частот (ФНЧ)
подается на гетеродин (Г) (перестраиваемый
генератор),
• частота сигнала гетеродина перестраивается таким
образом, что отклонение  уменьшается,
• в результате промежуточная частота с заданной
точностью оказывается равной центральной частоте
УПЧ про.
Точность работы системы
АПЧ
• Отклонение промежуточной частоты сигнала пр от
ее номинального значения
•
=пр-про=с-г (1.4)
где пр=с-г; с=со+с — частота входного сигнала;
г=го+г - частота сигнала гетеродина;
с, г - отклонения частот входного сигнала и гетеродина от
номинальных значений со, го.
• Напряжение на выходе ЧД - функция отклонения
промежуточной частоты от номинального значения:
uчд=F() (1.5)
Дискриминационная
характеристика
• Зависимость F()
• При малых значениях  дискриминационная
характеристика линейна и выражение (1.5)
принимает вид
•
uчд=kчд
(1.6)
– где kчд — коэффициент передачи ЧД (крутизна
пеленгационной характеристики).
• Под действием напряжения, снимаемого ЧД, частота
сигнала с гетеродина перестраивается на
•
=kг uчд
(1.7)
– где kг — коэффициент передачи гетеродина.
UЧД
0
Рис. 1.5. Дискриминационная характеристика ЧД
∆ω
Коэффициент передачи
• Одна из основных характеристик системы АПЧ
• С увеличением коэффициента передачи ошибка (1.8)
уменьшается.
• Зная допустимую ошибку и максимальное значение по (1.8),
можно найти необходимый коэффициент передачи системы
АПЧ.
• По соотношениям (1.4) —(1.7) на рис. 1.6 построена структурная
схема системы АПЧ относительно отклонений от их
номинальных значений
n
∆ωc
∆ωпр
F(∆ω)
δωг
ЧД
ФНЧ
∆ωг
Рис. 1.6. Структурная схема АПЧ
Г
Система ФАПЧ
• ФАПЧ применяются в радиоприемных устройствах,
перестраиваемых по частоте генераторах
высокостабильных колебаний и других устройствах.
• Функциональная схема системы ФАПЧ показана на
рис. 1.7.
• Система стабилизирует частоту подстраиваемого
генератора (ПГ) по сигналу с высокостабильного
эталонного генератора (ЭГ).
ЗГ
Uз
ФД
(ωз)
Uг
ПГ
(ωг)
Uгу
ФНЧ
Рис. 1.7. Функциональная схема ФАПЧ
УЗ
ФАПЧ(1)
• Объект управления - ПГ,
– частота колебаний (или фаза) напряжения которого
изменяется в зависимости от напряжения, вырабатываемого
управляющим элементом (УЭ), при этом напряжение ПГ
остается неизменным.
• Выходной сигнал системы ФАПЧ - частота
напряжения ПГ
• Управляющее воздействие - напряжение от
эталонного генератора с частотой э
ФАПЧ (2)
• Измеритель рассогласования - фазовый детектор
{ФД), выходной сигнал которого является нелинейной
периодической функцией разности фаз сигналов,
подаваемых от ЭГ и ПГ
• Начальное рассогласование частот от ЭГ и ПГ
н=э-ги
(1.9)
где ги — начальная частота сигнала ПГ.
• После включения системы ФАПЧ частота сигнала ПГ
г=ги+гу
(1.10)
ФАПЧ (3)
• Составляющая гу возникает из-за перестройки
частоты ПГ и определяется выражением
гу=kгkуэuфд= kгkуэF()kД
(1.11)
– где
• kг — коэффициент передачи ПГ по частоте;
• kуэ — коэффициент передачи УЭ;
• kД — коэффициент, равный максимальному напряжению на выходе ФД;
•  —разность фаз напряжений ЭГ и ПГ.
ФАПЧ (4)
полоса удержания системы
уд kгkуэ kД
(1.12)
– определяет максимальное допустимое начальное
рассогласование частот н, которое может быть
скомпенсировано в системе ФАПЧ,
• С учетом выражений (1.11) и (1.12) частота сигнала с
ПГ (1.10)
г=ги+уд F()
(1.13)
• Разность фаз сигналов с ЭГ и ПГ определяется
t
выражением
•
   0   ( э   г )dt
0
(1.14)
– где 0 — начальное значение разности фаз.
 = э-г
(1.15)
Установившийся режим
• разность фаз  — постоянная величина,
• частота сигнала ПГ равна частоте сигнала ЭГ,
• ошибка стабилизации частоты сигнала П Г
равна нулю.
Основное дифференциальное
уравнение системы ФАПЧ
• нелинейное дифференциальное уравнение
для системы ФАПЧ
+удF()=и
(1.16)
• в любой момент времени алгебраическая
сумма разности частот э-г и расстройки
является постоянной величиной, равной
начальному рассогласованию частот
сигналов ЭГ и ПГ.
Система автоматичеcкoгo
сопровождения цепи бортовой РЛС (1)
• Предназначена для автоматического
измерения составляющих угла отклонения
линии визирования в системе координат
OXС YСZС, связанной с летательным
аппаратом (рис. 1.9, а)
• Антенна РЛС устанавливается в карданном
подвесе, наружная рамка вращается в
горизонтальной, а внутренняя — в
вертикальной плоскостях (рис. 1.9,6).
Система автоматичеcкoгo
сопровождения цепи бортовой РЛС (2)
• С антенной связана система координат OXAYAZA ,
ОХА которой нормальна к плоскости внутренней
рамки карданного подвеса и совпадает с продольной
осью антенны.
• Для измерения углов отклонения линии визирования
в горизонтальной у и вертикальной г плоскостях на
рамках карданного подвеса устанавливаются
аналоговые или цифровые датчики.
Ya φ
z
Yc
Yc
Za
0
Zc
φy
φz
φz
Za
а)
Ya
Xc
Xa
Zc
Xc
Xa
б)
Рис. 1.9. К определению углов отклонения линии визирования:
а – система координат OXAYAZA относительно OXСYСZС ;
б – схема карданного подвеса
Система автоматичеcкoгo
сопровождения цепи бортовой РЛС (3)
• Если линия визирования отклонена от РСН на угол е,
который является сигналом рассогласования, то
сигналы, принятые по диаграммам направленности,
будут различными:
– сигнал Е1, принятый по верхней диаграмме направленности,
больше сигнала Е2, принятого по нижней диаграмме:
•
–
E1  E0  k AeE0 ; 

E2  E0  k AeE0 ;
где Е0 — сигнал, принимаемый по РСН;
kA — постоянный коэффициент.
(1.17)
Е1
ЛВ
г
РСН
S
Өс
Е2
0
Рис. 1.10. К определению пеленгационной характеристики РЛС:
а – диаграмма направленности;
б – пеленгационная характеристика
e
Пеленгационная
характеристика
• Разность амплитуд принятых сигналов
Ер = Е 1 - Е2 = 2КАеЕ0
(1.18)
амплитуда суммарного сигнала
Ес = Е1 + Ег = 2Е0.
(1.19)
• отношение амплитуды разностного сигнала (1.18) к
амплитуде суммарного сигнала (1.19)
Ер/ Ес = kAe = S
(1.20)
• Эта характеристика определяет
– коэффициент передачи приемника РЛС,
– допустимый диапазон угла рассогласования от РСН.
Схема моноимпульсного
приемника
Еp
СМ
УПЧ
Г
Еc
СМ
АРУ
ФД
УПЧ
Рис. 1.11. Функциональная схема моноимпульсного приемника
UφA
Структурная схема системы
автосопровождения РЛС
n(t)
φy(t)
e
П
УМ
КУ
Р
ЗД
А
φа
МОС
a)
ЛВ
e*
0
φA
φu
б)
Xa
Рис. 1.12. Система автоматического
сопровождения:
Xc
a – структурная схема;
б – к отсчету углов
Описание работы
1. Напряжение с приемника (П) через корректирующее
устройство (КУ) подается на усилитель мощности (УМ), на
который подступает и сигнал с местной обратной связи (МОС)
2. Усилитель мощности для обеспечения нормальной работы
электрического двигателя (УМ),
3. ЭД через редуктор (Р) поворачивает антенну (Л) в направлении
уменьшения сигнала рассогласования.
4. С помощью КУ, включенного после фазового детектора
приемника, и местной обратной связи обеспечивается
устойчивость и необходимые динамические свойства системы
автосопровождения цели РЛС.
Влияние помех
• Основные возмущающие воздействия (помех)
– флуктуация отраженного от цели радиолокационного
сигнала,
– угловой шум, обусловленный перемещением по цели центра
отражения сигнала (блуждание блестящей точки),
– шум первых каскадов приемника.
• Эти возмущающие воздействия снижают точность
работы системы автосопровождения.
• На структурной схеме системы (рис. 1.12, а) эти
воздействия учитываются введением возмущающего
воздействия n(t).
Основные характеристики
• Регулируемый параметр - угол отклонения оси
антенны РЛС Фа от продольной оси летательного
аппарата ОХС, а
• Управляющие воздействие (входной сигнал) —
угол отклонения линии визирования ц.
• Объект управления — антенна РЛС, состояние
которой (угол отклонения и его производные) должно
изменяться так, чтобы продольная ось антенны с
необходимой точностью была направлена на
сопровождаемую цель, а производные от ее угла
отклонения не превышали допустимых значений
Система автоматической
регулировки усиления (1)
• применяются в радиоприемных устройствах
различного назначения,
• предназначены для стабилизации уровня сигнала на
выходе усилителей при большом динамическом
диапазоне изменения входного сигнала,
• В системах автоматического сопровождения цели
РЛС перегрузка каскадов приемника приводит
– к искажению амплитудной модуляции,
– к снижению коэффициентов усиления, вплоть до срыва
сопровождения.
Система автоматической
регулировки усиления (2)
• В системах стабилизации частоты большой
динамический диапазон изменения сигнала вызывает
изменение крутизны дискриминационной
характеристики, что резко снижает качество работы
системы.
Основные типы системы АРУ
•
•
•
•
с обратной связью (с обратным действием);
без обратной связи (прямого действия);
комбинированные.
Существуют одно- и многопетлевые системы
АРУ с непрерывной и цифровой
регулировкой.
Uвх(t)
Eп
Uвых(t)
У
Uу
VT
Uвх(t)
ФНЧ
Uвых(t)
Д
Uφ
UА
УПТ
Uз
Uс
Рис. 1.13. Функциональная схема АРУ
Uу
Рис. 1.14. Схема регулируемого каскада
Система АРУ с обратной
связью
• Входное напряжение uвх(t) поступает на усилитель
(У) с регулируемым коэффициентом усилении.
• Выходное напряжение усилителя детектируется,
• суммируется с напряжением задержки uз.
• Суммарное напряжение ис
– усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и
– подается на фильтр нижних частот (ФНЧ).
• Напряжение с ФНЧ uу используется для регулировки
коэффициента усиления входного сигнала.
Регулировочная
характеристика (1)
• Зависимость коэффициента усиления
усилителя входного сигнала от управляющего
напряжения.
• В общем случае эта характеристика
нелинейная, однако приближенно она может
быть заменена линейной зависимостью вида
k(uу) = k0 — auy,
(1.22)
• где k0 — коэффициент усиления при управляющем
напряжении, равном нулю;
• а — крутизна регулировочной характеристики
Регулировочная
характеристика (2)
• Изменение коэффициента усиления может быть
достигнуто различными способами:
– путем включения управляемого аттенюатора,
– изменением крутизны характеристик электронных приборов
и др.
• Эффект стабилизации уровня выходного напряжения uвых(t)
достигается за счет того, что с ростом уровни uвых(t)
увеличивается управляющее напряжение uу, под действием
которого уменьшается коэффициент усиления усилителя
входного сигнала, что приводит к снижению уровня выходного
сигнала
-Uз
Uвых(t)
Uвх(t)
Uc
K0
Kд
НЗ
УПТ
K(t)
ФНЧ
UД
α
Uу
Рис. 1.15. Структурная схема систему АРУ
Нелинейное звено
u Д  u З при u Д  u З
u Д  uЗ  
0 при u Д  u З
Особенности системы АРУ
• зависимость коэффициента передачи системы от
времени, что происходит из-за наличия в системе
звена с коэффициентом передачи k(t).
• Из-за нелинейного звена с характеристикой (1.26)
система АРУ является нелинейной.
• Анализ нелинейных систем с переменными
параметрами является сложной задачей
Установившийся режим
при
постоянном уровне напряжения на входе системы АРУ
u вых  k 0 u вх при u вх  u З
u в ых 
k 0  k упт u З
1  u в х k Д k упт
u в х при u Д  u З
где kупт — коэффициент усиления УПТ
Uвых
1
2
3
0
Uвх max
Uвх
Рис. 1.16. Регулировочные характеристики системы АРУ
Система измерения
дальности РЛС (1)
• Дальномер РЛС предназначен для измерения
дальности до выбранной цели
• Принцип работы дальномера базируется на
измерении сдвига между зондирующими импульсами,
следуемыми через интервал времени Т, и
импульсами, отраженными от цели.
• Отраженные от цели импульсы искажены шумами,
поэтому непосредственное измерение дальности по
времени задержки связано с большими ошибками.
Система измерения
дальности РЛС (2)
• Для повышения точности измерения в дальномере
формируются следящие импульсы, временное
положение которых относительно зондирующих
импульсов оказывается пропорциональным
дальности до цели и незначительно зависит от
шумов.
Uφ
ОИ
ВД
З
ФНЧ
ВМ
ГИ
Рис. 1.17. Функциональная схема дальномера импульсной РЛС
ЗИ
• Во временном дискриминаторе вырабатывается
напряжение, пропорциональное рассогласованию
временного положения отраженного импульса
относительно оси симметрии следящих импульсов:
u=kД(tR–tи )=kД t
(1.28)
где t— рассогласование по времени между от и следящими
импульсами;
tR = 2R/c — время отраженного импульса относительно зондирующего;
– tи — время задержки следящих импульсов;
– R — измеряемая дальность; с — скорость света.
• Если временное рассогласование t не равно нулю,
то во временном дискриминаторе вырабатываются
два импульса, длительности которых
1=/2 - t;
21=/2 + t,
(1.29)
– где  — длительность отраженного импульса.
• Импульсы длительностями 1 и 2 детектируются,
• разность напряжений является выходным
напряжением временного дискриминатора uД.
• На каждом периоде измерения дальности
напряжение с выхода временного дискриминатора
фиксируется экстраполятором (Э) и сбрасывается до
нуля перед приходом следующей пары следящих
импульсов.
• Напряжение с Э через ФНЧ подается на временной
модулятор (ВМ), который зондирующим импульсом
(ЗИ), задержанным на время, пропорциональное
сигналу с ФНЧ, запускает ГИ, формирующий два
следящих импульса.
• образуется замкнутый контур, в котором
рассогласование сводится к минимальному
значению, определяющему ошибку измерения
дальности.
• Для повышения точности работы в ФНЧ дальномера
включают интегратор, при этом рассогласование t
при измерении постоянного значения дальности
сводится к нулю, а напряжение на выходе ФНЧ в
установившемся режиме пропорционально
измеряемой дальности:
1
1 2R
uф 
tR 
kвм
kвм c
(1.30)
– где kвм — коэффициент передачи временного модулятора.
n(t)
Uφ
T
tu(t)
tR(t)
F(e)
Э
ФНЧ
Рис. 1.19. Структурная схема дальнометра
ВМ
Обобщенная структурная схема
системы РА (1)
y(t)
x(t)
ε(t)
F(e)
ФУ
Рис. 1.20. Обобщенная структурная схема системы РА
ОУ
Обобщенная структурная схема
системы РА (2)
• влияние помех учитывается введением возмущающего
воздействия n(t), поступающего на вход системы.
• Это воздействие может состоять из нескольких
составляющих, например,
– в системе автоматического сопровождения цели РЛС оно
состоит из флуктуации отраженного от цели сигнала,
– воздействия, возникающего из-за перемещения центра
отражения радиолокационного сигнала по поверхности цели,
– шумов первых каскадов электронных приборов приемника и
т.п.
Обобщенная структурная схема
системы РА (3)
• Возмущающее воздействие g(t) поступает на объект
управления системы РА,
• это воздействие обусловлено в основном изменением
условий окружающей среды (температуры, давления,
влажности и т. п.) и флуктуациями источников
питания.
Дискриминационная
характеристика
• При малых сигналах ошибки амплитудная
характеристика дискриминатора может быть принята
линейной:
uД = kДe
(1.31)
• Форма дискриминационной характеристики зависит
от амплитуды сигнала ошибки.
• Для исключения такой зависимости проводится
нормировка сигнала по амплитуде, что достигается
путем введения АРУ или ограничителя.
Классификация систем РА (1)
Системы РА классифицируются по различным признакам.
• По принципу построения, системы с управлением
– по отклонению и
– по возмущению
• По виду входного сигнала системы РА делятся на:
– системы стабилизации,
– системы программного управления
– следящие системы
Классификация систем РА (2)
• По виду уравнений, описывающих процессы в
системах,
–
–
–
–
–
–
непрерывные
дискретные,
линейные
нелинейные,
стационарные
Нестационарные
Классификация систем РА (3)
• Цифровые системы, в состав которых входят
– вычислительные машины или элементы этих машин.
• С точки зрения математического описания цифровые
системы РА являются дискретными нелинейными.
• Для улучшения качества работы систем РА в
управляющем устройстве могут
– вырабатываться сигналы управления,
– изменяться алгоритмы управления
– перестраиваться параметры системы (коэффициенты
усиления звеньев, постоянные времени корректирующих
устройств),
•
Подобные системы РА называются адаптивными
Автор:
• Самусевич Галина Александровна
К.т.н., доцент каф. РТС УГТУ-УПИ
2012 г.