Радиоавтоматика
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (РТС) КАФЕДРА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ОСНОВ РАДИОТЕХНИКИ (ТОР) В. П. Пушкарёв, Д.Ю. Пелявин РАДИОАВТОМАТИКА Учебное пособие Томск 2018 УДК 621.396.6-52(075.8) ББК 32.884.1-05я73 П 912 Рецензенты: О. В. Стукач, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой компьютерных измерительных систем и метрологии Томского политехнического университета; А. П. Бацула, канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, советник генерального директора научно-производственной фирмы «Микран» Пушкарёв В. П., Пелявин Д.Ю. П 912 Радиоавтоматика : учебное пособие / В. П. Пушкарёв, Д. Ю. Пе- лявин. – Томск : ТУСУР, 2018. – 182 с. В учебном пособии представлены классификация и основы построения функциональных и структурных схем систем радиоавтоматики: автоматическая регулировка усиления, автоматическая подстройка частоты и фазы. Рассмотрены основы построения автоматических систем радиолокационных станций. Опи- саны принципы построения систем радиоавтоматики на основе типовых радио- технических звеньев с математическим представлением. Приведены методы ана- лиза систем на основе математических методов их исследования на устойчивость и представлены расчёты по анализу показателей качества. Для студентов радиотехнических специальностей и подготовки бакалав- ров, магистров по направлению «Инфокоммуникационные технологии и си- стемы связи», обучающихся по очной, вечерней, заочной формам высшего про- фессионального образования, в том числе с применением технологии дистанци- онного обучения. Рекомендуется для самостоятельной подготовки студентов к практическим и лабораторным занятиям. © Пушкарёв В. П., Пелявин Д. Ю., 2018 © Оформление ТУСУР, 2018 3 Оглавление Введение ...................................................................................................................... 6 1 Краткие исторические сведения ......................................................................... 9 2 Классификация систем радиоавтоматики ...................................................... 11 2.1 Предмет изучения теории управления и радиоавтоматики ......................... 11 2.2 Классификация систем автоматического управления и радиоавтоматики ................................................................................................. 11 3 Функциональные и структурные схемы систем радиоавтоматики .......... 18 3.1 Определения и условные обозначения компонентов функциональных и структурных схем систем .................................................... 18 3.2 Система автоматической регулировки усиления ......................................... 20 3.3 Система автоматической подстройки частоты ............................................. 25 3.4 Система фазовой автоподстройки частоты ................................................... 27 3.5 Система автоматического сопровождения цели РЛС .................................. 30 3.6 Система автоматического измерения дальности РЛС ................................. 34 3.7 Обобщенная структурная схема системы радиоавтоматики ....................... 37 4 Элементы систем радиоавтоматики и типовые радиотехнические звенья ......................................................................................................................... 41 4.1 Описание элементов систем радиоавтоматики ............................................. 41 4.2 Элементы систем радиоавтоматики ............................................................... 42 4.2.1 Фазовые детекторы.................................................................................... 42 4.2.2 Частотные дискриминаторы ..................................................................... 44 4.2.3 Угловые дискриминаторы ........................................................................ 46 4.2.4 Временные дискриминаторы ................................................................... 50 4.2.5 Исполнительные устройства .................................................................... 51 4.3 Типовые радиотехнические звенья ................................................................ 54 4.4 Виды соединения типовых радиотехнических звеньев и структурные преобразования сложных схем систем радиоавтоматики ................................. 68 4.5 Передаточные функции сложных многоконтурных систем ........................ 70 4.6 Определение параметров элементов систем ................................................. 73 4 5 Дифференциальные уравнения и передаточные функции систем радиоавтоматики ..................................................................................................... 78 5.1 Дифференциальные уравнения систем радиоавтоматики ........................... 78 5.2 Передаточная функция систем радиоавтоматики......................................... 79 5.3 Переходная и импульсная функции системы РА ......................................... 80 5.4 Выходной сигнал системы радиоавтоматики при произвольном воздействии ............................................................................................................. 84 5.5 Комплексный коэффициент передачи и частотные характеристики ......... 84 6 Устойчивость линейных систем радиоавтоматики ...................................... 90 6.1 Основные понятия и определения устойчивости систем ............................ 90 6.2 Условие устойчивости линейных систем ...................................................... 91 6.3 Критерии устойчивости ................................................................................... 97 6.3.1 Критерий устойчивости Гурвица ............................................................. 97 6.3.2 Критерий устойчивости Михайлова ........................................................ 99 6.3.3 Критерий устойчивости Найквиста ....................................................... 104 6.3.4 Логарифмическая форма критерия Найквиста ..................................... 108 6.4 Области и запасы устойчивости ................................................................... 109 6.4.1 Основные понятия и определения ......................................................... 109 6.4.2 Частотные оценки запасов устойчивости ............................................. 110 6.4.3 Корневые оценки запасов устойчивости .............................................. 111 6.4.4 Метод D-разбиения ................................................................................. 113 7 Анализ качества систем радиоавтоматики ................................................... 117 7.1 Постановка задачи исследования качества работы систем радиоавтоматики .................................................................................................. 117 7.2 Показатели качества переходного процесса ............................................... 118 7.3 Частотные показатели качества .................................................................... 121 7.4 Анализ точности работы систем радиоавтоматики .................................... 125 8 Основы проектирования систем радиоавтоматики .................................... 141 8.1 Постановка задачи .......................................................................................... 141 5 8.2 Синтез передаточной функции разомкнутой системы радиоавтоматики .................................................................................................. 143 8.3 Определение передаточных функций корректирующих устройств ......... 148 8.4 Синтез систем с неполной информацией о воздействиях ......................... 158 8.5 Комплексные системы ................................................................................... 164 Заключение ............................................................................................................. 173 Литература .............................................................................................................. 174 Основные сокращения и условные обозначения ............................................ 175 Глоссарий ................................................................................................................ 179 6 Введение Возрастание требований к качеству работы автоматических и автоматизи- рованных систем управления радиоэлектронными средствами, увеличение объ- ёма перерабатываемой информации, усложнение объектов управления привело к тому, что аналоговая техника не позволяет обеспечить заданное качество ра- боты. Современные системы управления радиоэлектронными средствами пред- ставляют собой совокупность сложного сочетания отдельных устройств, автома- тов, приёмников и преобразователей информации, взаимодействие которых обеспечивает достижение поставленной задачи. Решение сложных задач при выработке необходимых мер управления со- временными радиотехническими устройствами и системами под силу только микропроцессорным средствам обработки информации, позволяющим вырабо- тать одно единственно правильное решение. Важным преимуществом таких си- стем является высокая стабильность работы, оперативность изменения алго- ритма работы при принятии мер на уровне аппаратно-программной реализации в реальном масштабе времени. Развитие средств вычислительной техники, микропроцессорных систем привело к созданию систем цифрового управления технологическими процес- сами и техническими объектами. Такие системы состоят из программных и ап- паратных средств. Изменение алгоритма управления объектом контроля заклю- чается в изменении программных средств, аппаратные средства практически остаются неизменными. Однако для таких цифровых систем характерно стрем- ление к максимальной централизации решаемых задач. После появления микро- контроллеров созданы децентрализованные системы управления с распределе- нием задач и формированием нескольких уровней управления. Децентрализация снизила требования к быстродействию вычислительных средств, рассредоточила и упростила прикладное программное обеспечение, повысила надежность техни- 7 ческих средств. Благодаря гибкости прикладного программного обеспечения по- явилась возможность реализации управляющих алгоритмов любой степени сложности, основанных на современных методах теории дискретных систем. Со- здание и внедрение СЦУ вызвало дальнейшее развитие теории автоматического регулирования, контроля и управления, в результате чего возникло отдельное направление. Это направление базируется на классических изложениях теории автоматического регулирования и учитывает процессы преобразования сигналов и вопросы сопряжения средств вычислительной техники с объектами контроля и управления. Целью данного учебного пособия является рассмотрение вопросов теоре- тического и прикладного характера, связанных с анализом и синтезом систем аналогового управления. Изучение рассматриваемых вопросов требует знания основ теории автоматического регулирования процессов. Соглашения, принятые в учебном пособии Для улучшения восприятия материала в данном пособии используются следующие пиктограммы и специальное выделение важной информации. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Эта пиктограмма означает определение или новое понятие. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Эта пиктограмма означает «Внимание!». Здесь выделена важ- ная информация, требующая акцента на ней. Автор может поде- литься с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых оши- бок. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Это пиктограмма «На заметку». Автор может указать дополнительные сведения или другой взгляд на изучаемый предмет, чтобы помочь читателю лучше понять основные идеи. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Пример · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Эта пиктограмма означает пример. Автор может привести практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отражённых в теоретиче- ском материале. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Выводы · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Эта пиктограмма означает выводы. Здесь автор подводит итоги, обобщает изложенный материал или проводит анализ. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Контрольные вопросы по главе · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 1 Краткие исторические сведения Устойчивость – характеристика мира. Н. Винер 1 . Кибернетика [1] Первые сведения об автоматических устройствах приведены в древнегре- ческой мифологии – так называемые танталовы муки. Тантал, любимый сын бога Зевса, был наказан за многочисленные грехи перед богами и простым народом, за что был обречен веками стоять в прозрачном озере, изнывая от жажды. Уро- вень воды в озере постепенно повышался, и влага доходила ему до подбородка. Но лишь только он, истомленный жаждой, наклонял голову, вода исчезала, об- нажая черную сухую землю. Одними из первых технических устройств автоматики были устройства в поплавковых регуляторах парового котла И. И. Ползунова (1765 г.) и затем в ре- гуляторах скорости вращения машин Дж. Уатта (1784 г.). Все последующие годы работы велись по улучшению основных характеристик автоматических ме- ханизмов. Однако в 1876 г. петербургский профессор И. А. Вышнеградский от- метил, что увеличение точности работы механизмов ведёт к его неустойчивой работе в динамическом режиме. Позднее он сформулировал критерий устойчи- вости систем третьего порядка [2]. В радиотехнике системы автоматического регулирования были использо- ваны в устройствах автоматической регулировки усиления в первых радиопри- ёмниках. Радиоавтоматика (РА) как самостоятельный класс в науке обязана своим появлением такой науке, как кибернетика. Выделение систем РА в само- стоятельный класс обусловлено также и их особенностями, связанными с усло- виями работы в составе радиотехнических систем и систем радиоуправления. К 1 Н. Винер (1894–1964) – американский учёный, выдающийся математик и философ, осново- положник кибернетики и теории искусственного интеллекта. 10 особенностям работы таких систем относятся и обработка радиосигнала при дей- ствии различного рода шумов и помех. Надёжность и качество работы систем РА определяет качество работы радиоаппаратуры и систем радиоуправления. В современных радиотехнических устройствах и системах радиоуправле- ния различного назначения широко используются автоматические системы, ко- торые называются системами радиоавтоматики. К числу таких систем относятся устройства фазовой и частотной автоподстройки частоты, автоматической регу- лировки усиления, системы измерения координат движущихся объектов, изме- рители дальности, различные следящие системы устройств и систем радиоуправ- ления. Изложение основ построения, метода анализа и проектирования систем ра- диоавтоматики применительно к радиотехническим устройствам и системам яв- ляется основной задачей данного учебного пособия. 11 2 Классификация систем радиоавтоматики 2.1 Предмет изучения теории управления и радиоавтоматики Радиоавтоматика представляет собой совокупность сложного сочетания отдельных устройств, приёмников и преобразователей информации, взаимодей- ствие которых обеспечивает достижение поставленной задачи. Основные направления применения систем радиоавтоматики: наука, военная, промышлен- ная и бытовая техника; авиация и космонавтика; автомобильный и железнодо- рожный транспорт; системы экологического мониторинга и обеспечения без- опасности жизнедеятельности человека и т. д. 2.2 Классификация систем автоматического управления и радиоавтоматики В основу теории автоматического управления положена теория автомати- ческого регулирования, которая в конце 1930-х гг. была выделена в самостоя- тельную научную дисциплину, где регулирование представляет собой разновид- ность управления. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения, состояния объекта или действующих на него возмущений и воздей- ствия на регулирующий орган объекта. Автоматическим управлением называется автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множе- ства возможных на основании определённой информации и направ- ленных на поддержание или улучшение функционирования управляе- мого объекта в соответствии с целью управления. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12 При рассмотрении систем управления выделяют два вида управления: ав- томатическое и автоматизированное (рис. 2.1). Управление Автоматическое Автоматизированное Рис. 2.1 – Классификация систем управления · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Под |