Радиоавтоматика
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
автоматическим управлением понимается процесс воз- действия на объект без вмешательства человека. Под автоматизированным управлением процесс воздей- ствия на объект с участием человека (оператора). · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Математическая модель системы автоматического управления описыва- ется выражением: СУ ОУ УУ, где СУ – система управления; ОУ – объект управления; УУ – устройство управ- ления. При решении задачи управления необходимо, чтобы режим работы объ- екта управления автоматически изменялся в соответствии с сигналами управле- ния или входными воздействиями (рис. 2.2). · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Состояние объекта определяется рядом величин, характеризу- ющих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин измеряются в процессе работы и называются кон- тролируемыми. Другие, влияющие на режим работы объекта, не из- меряются и называются неконтролируемыми. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13 Контролируемые входные воздействия Объект управления Неконтролируемые входные воздействия Управляющие воздействия Управляемые воздействия Рис. 2.2 – Модель объекта управления · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Величины, выражающие внешние влияния на объект, называ- ются воздействиями. Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством или задаваемые человеком, называются управляющими воздействиями. Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущениями. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Функциональная схема системы автоматического управления имеет вид (рис. 2.3). z u Y X ОУ УУ Рис. 2.3 – Функциональная схема автоматической системы управления В состав автоматической системы входят: ОУ – устройство, над которым производится операция управления (объект управления); УУ – устройство, с по- 14 мощью которого осуществляется автоматическое управление объектом. В про- цессе управления на ОУ воздействуют: X – возмущающее воздействие, изменя- ющее состояние ОУ и препятствующее процессу управления; Y – выходная (ре- гулируемая) величина, характеризующая состояние ОУ; u – управляющее воз- действие (сигнал управления); z – задающее воздействие, содержащее инфор- мацию о требуемом значении воздействия. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Системы автоматического управления классифицируются по различным признакам, наиболее важные среди них с точки зрения классификации: по принципу построения; по виду входного сигнала; по виду использования управляющего устройства; по виду уравнения, описывающего процессы в системах РА. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · По принципу построения различают: управление по отклонению (системы автоматической и фазовой под- стройки частоты); по возмущению (системы автоматической регулировки усиления). По виду входного сигнала: системы стабилизации, где входной сигнал постоянный (система авто- матической стабилизации частоты, напряжения); системы программного управления, в которых входной сигнал является известной величиной (системы управления антенной РЛС в режиме по- иска и др.); следящие системы, в которых сигнал является случайной величиной (система автоматического сопровождения цели РЛС). По виду используемого управляющего устройства: разомкнутые; 15 замкнутые; комбинированные. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Разомкнутые системы управления системы, в которых выходная (регулируемая) величина не изменяется. Они могут быть классифицированы по следующим признакам: по возмущению или по входному воздействию (рис. 2.4, а); по задающему воздействию (по заданной программе) (рис. 2.4, б); по задающему и возмущающему воздействиям; является полным видом разомкнутой системы управления (рис. 2.4, в). · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · z u Y X ОУ УУ а) б) в) z u Y X ОУ УУ u Y X ОУ УУ Рис. 2.4 – Функциональная схема разомкнутых автоматических систем управления · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Замкнутые системы управления (рис. 2.5) имеют обратную связь. В замкнутой системе устройство управления стремится лик- видировать все отклонения регулируемой величины Y от его значе- ния и не зависит от причин, вызвавших эти отклонения, включая лю- бые возмущения, вызванные внешними и внутренними помехами. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16 Основные замкнутые системы управления строятся по схеме с обратной связью и управляются по отклонению и возмущению (рис. 2.3). Комбинированные системы включают в себя совокупность или отдельные элементы разомкнутых и замкнутых систем (рис. 2.3). u Y X ОУ УУ Рис. 2.5 – Функциональная схема замкнутых автоматических систем управления В зависимости от вида уравнения, описывающего процессы в системах, различают непрерывные и дискретные, линейные и нелинейные, стационарные и нестационарные системы РА. Одна и та же система может характеризоваться несколькими признаками. Примером может служить система автоматической регулировки усиления, явля- ющаяся в данной классификации нестационарной нелинейной системой. В современных радиотехнических устройствах и системах важную группу составляют цифровые системы, в состав которых входят компьютеры, микропро- цессоры и микроконтроллеры. С точки зрения математического описания циф- ровые системы РА являются дискретными нелинейными. Для улучшения качества работы системы РА в управляющем устройстве могут не только вырабатываться сигналы управления, но и изменяться алго- ритмы управления и перестраиваться параметры системы (коэффициенты усиле- ния звеньев, постоянные времени корректирующих устройств). В результате из- менения алгоритма управления достигается высокое качество работы системы. Подобные системы РА называют адаптивными. 17 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Контрольные вопросы по главе 2 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1. Дайте определение автоматического регулирования и управления. 2. Какие виды систем управления Вы знаете? Чем отличаются автомати- ческие и автоматизированные системы управления? 3. Каков принцип работы разомкнутых и замкнутых систем радиоавтома- тики? 4. Какие системы радиоавтоматики называют комбинированными? 5. В чем различие линейных и нелинейных систем радиоавтоматики? 6. Какие системы радиоавтоматики называются адаптивными? 18 3 Функциональные и структурные схемы систем радиоавтоматики 3.1 Определения и условные обозначения компонентов функциональных и структурных схем систем При описании принципа построения системы регулирования и порядка ее работы используется графическое представление в виде функциональной и структурной схем. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Функциональная схема – графическое изображение элемента или системы, описывающее состав системы и поясняющее принцип взаимодействия между собой отдельных составляющих системы. Структурная схема является условным графическим изобра- жением элемента или системы, позволяющим составить матема- тическое описание поведения системы, при этом отдельные звенья представляются в виде математической операции, которую произ- водит данное звено системы. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · В общем случае порядок исследования систем управления и систем РА включает в себя математическое описание системы, исследование ее установив- шихся режимов и переходных процессов. Математическое описание, т. е. полу- чение математической модели системы, начинается с разбиения ее на типовые радиотехнические звенья и описания этих звеньев. Структурная схема системы РА представляется в виде соединения ТРЗ с передаточными функциями W (рис. 3.1, а), сумматоров (рис. 3.1, б, в) и узлов ответвления (рис. 3.1, г). В ряде случаев используется сумматор с заштрихованным сектором, озна- чающий математическую операцию «минус» (рис. 3.1, б). 19 а) W г) в) б) Рис. 3.1 – Основные обозначения компонентов структурной схемы системы РА · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · При проведении анализа показателей качества систем радиоав- томатики, математическом описании их свойств на математическую модель ТРЗ накладывают следующие допущения: входное воздействие подаётся только на «вход» звена, а вы- ходная (регулируемая) величина снимается только с его «выхода»; направление действия сигнала «вход – выход» и не имеет обратных связей; свойства и параметры ТРЗ не влияют на «выход» предыду- щего и на «вход» последующего звена. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Для радиотехнических устройств и систем характерны следу- ющие системы автоматической регулировки: автоматическая регу- лировка усиления, автоматическая подстройка частоты, фазовая под- стройка частоты (ФАПЧ), автоматическое сопровождение цели бор- товой РЛС, измерения дальности РЛС, угломерные следящие си- стемы, системы слежения за временным положением импульсного сигнала и др. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20 3.2 Система автоматической регулировки усиления · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Системы автоматической регулировки усиления (АРУ) ши- роко используются в радиоприёмных устройствах различного назна- чения. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Системы АРУ предназначены для стабилизации уровня сигнала на выходе усилителей радиоприёмных устройств при большом динамическом диапазоне изменения входного сигнала. В радиовещательных радиоприёмниках динамиче- ский диапазон достигает 60…70 дБ, а в радиолокационных приемниках – 70…100 дБ. При таком изменении уровня входного сигнала, при отсутствии си- стемы АРУ, нарушается нормальная работа приёмных устройств, что проявля- ется в перегрузке последних каскадов приёмника. В системах автоматического сопровождения цели РЛС перегрузка каскадов приёмника приводит к искаже- нию амплитудной модуляции (АМ), снижению коэффициента усиления, срыву сопровождения, а в ряде случаев и к полному отказу. В системах стабилизации частоты перегрузка каскадов вызывает изменение крутизны дискриминационной характеристики, что резко снижает качество работы системы в целом [2–4]. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · По принципу построения системы АРУ делятся на три основ- ных типа [3]: разомкнутые, без обратной связи (рис. 3.2, 3.4); замкну- тые, или с обратной связью, (рис. 3.5) и комбинированные схемы. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Существуют одно- и многопетлевые системы АРУ с непрерывной и циф- ровой регулировкой. АРУ без обратной связи обеспечивает высокое постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении входного сигнала в широких пре- делах, однако регулируемая величина зависит от стабильности параметров цепи АРУ. Разомкнутая инерционная система АРУ (рис. 3.2) имеет в своём составе регулируемый усилитель, усилитель системы АРУ, детектор АРУ для получения 21 управляющего воздействия и фильтр нижних частот, устраняющий составляю- щую частот модуляции во избежание демодуляции АМ радиосигнала. U вых (t) U вх (t) РУ УАРУ ФНЧ ДАРУ Рис. 3.2 – Структурная схема разомкнутой инерционной системы АРУ Для обеспечения работы системы во времени используется временная АРУ. Временная система (рис. 3.3) содержит устройство формирования управ- ляющего напряжения ВАРУ, работа которого синхронизируется во времени внешним импульсом [3–5]. б) а) U р U вых (t) U вх (t) У Д ВАРУ U р ma x Т п t Рис. 3.3 – Структурная схема системы разомкнутой временной АРУ (а) и временная диаграмма, поясняющая принцип ее работы (б) На практике наибольшее распространение получили инерционные си- стемы АРУ с обратной связью. Они разделяются на системы непрерывного (рис. 3.4) и импульсного действия (рис. 3.3). Все перечисленные системы могут быть задержанными и незадержанными (рис. 3.6). Принцип работы системы АРУ заключается в следующем. Входное напря- жение вх ( ) U t поступает на вход усилителя с регулируемым коэффициентом уси- ления. Выходное напряжение с усилителя поступает на вход детектора, затем продетектированный сигнал суммируется с напряжением задержки з U . Суммар- ное напряжение с U усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и подаётся 22 на фильтр нижних частот (ФНЧ), ФНЧ формирует управляющее напряжение у U , изменяющее коэффициент усиления. Зависимость коэффициента усиления уси- лителя от управляющего напряжения называют регулировочной характеристи- кой, она может быть аппроксимирована линейной зависимостью [3, 4, 6]: у 0 у ( ) α , k U k U (3.1) где 0 k – коэффициент усиления при управляющем напряжении, равном нулю; α – крутизна регулировочной характеристики. U вых (t) U вх (t) У Д ФНЧ а) б) U вых (t) U вх (t) У Д ДАРУ ФНЧ Рис. 3.4 – Структурные схемы систем АРУ непрерывного действия с обратной связью (а) простая с совмещённым детектированием, (б) – простая с раздельным детектированием U з U у U ф U с U д U вых (t) U вх (t) У ФНЧ УПТ Д Рис. 3.5 – Структурная схема системы усиленной задержанной АРУ с обратной связью Эффект стабилизации уровня выходного напряжения вых ( ) U t достигается за счет того, что с ростом уровня вых ( ) U t увеличивается и управляющее напря- 23 жение у U , под действием которого, в соответствии с выражением (3.1), умень- шается коэффициент усиления усилителя, что приводит к снижению уровня входного сигнала. Для предотвращения снижения уровня выходного сигнала при малых входных воздействиях и обеспечения работы системы АРУ с определённого уровня в систему подают напряжение задержки з U . В результате напряжение управления появится только в случае, когда напряжение на выходе амплитуд- ного детектора превысит напряжение задержки з U (3.2). д вых д з вых д з д вых д з , если , 0, если , u u K u u K u u u K u (3.2) где д K – коэффициент передачи детектора. Фильтр нижних частот в цепи обратной связи систем АРУ предназначен для передачи управляющего напряжения с частотами изменения уровня выход- ного напряжения АРУ. При этом ФНЧ должен быть инерционным по отношению к частотам полезной модуляции, иначе произойдёт демодуляция полезного сиг- нала. Напряжение на выходе системы АРУ: вых у вх 0 у вх ( ) ( α ) . u k u u k u u (3.3) Уравнениям (3.2)–(3.3) соответствует структурная схема системы АРУ (рис. 3.6). На этой схеме нелинейное звено описывается зависимостью: д з д з д з д з , при 0 при u u u u u u u u (3.4) В установившемся режиме (при постоянном уровне напряжения на входе системы АРУ) из (3.2)–(3.4) следует: вых 0 вх д з 0 упт з вых вх д з вх д упт при ; α при , 1 α u k u u u k k u u u u u u k k (3.5) где упт k – коэффициент усиления УПТ. 24 U с U у U д u вых –u з u вх k(t) НЗ K Д УПТ ФНЧ Рис. 3.6 – Структурная схема системы АРУ с обратной связью Уравнение (3.5) определяет регулировочную характеристику системы АРУ с обратной связью. Амплитудные характеристики замкнутой системы АРУ (рис. 3.7) представ- лены для случаев: 1 – без системы АРУ, 2 – простая АРУ, 3 – задержанная АРУ, 4 – усиленная и задержанная АРУ. 4 3 2 1 U вх max U вх U вых Рис. 3.7 – Амплитудные характеристики системы АРУ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · На практике в радиовещательных и телевизионных радиопри- ёмных устройствах целесообразно использовать инерционную уси- ленную задержанную систему АРУ с задержкой. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · В радиолокационных радиоприёмниках используют комбинированную си- стему АРУ. Это обусловлено необходимостью обеспечения быстродействия АРУ и достигается использованием принципов разомкнутой и замкнутой систем. Быстродействие определяется постоянной времени цепи фильтра нижних частот. |