Радиоавтоматика
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
3.7 Обобщённая структурная схема системы радиоавтоматики · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Выводы · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Анализируя все рассмотренные структурные схемы систем радиоавтома- тики, можно отметить их сходство. Аналогия структурных схем систем позво- ляет составить обобщённую структурную схему систем РА (рис. 3.20). На струк- турной схеме приняты следующие обозначения: 38 x(t) – входной сигнал или управляющее воздействие (угол поворота ли- нии визирования в системе автоматического сопровождения цели РЛС, частота эталонного генератора в системе ФАПЧ и т. п.); y(t) – выходной сигнал или регулируемый параметр (угол поворота ан- тенны РЛС, частота перестраиваемого генератора); e(t) – сигнал рассогласования, или сигнал ошибки. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · e(t) y(t) x(t) ФУ ОУ F(e) n(t) (t) g(t) Рис. 3.20 – Обобщённая структурная схема системы РА · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Работа систем РА происходит в условиях действия различных помех. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · На обобщённой структурной схеме учитывается влияние помех введением возмущающего воздействия n(t). Это воздействие может состоять их нескольких составляющих, например, в системе автоматического сопровождения цели РЛС оно состоит из флуктуаций отражённого от цели сигнала, воздействия, возника- ющего из-за перемещения центра отражения радиолокационного сигнала от по- верхности цели, шумов первых каскадов электронных приборов приёмника и т. д. 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. 39 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Одним из известных недостатков непрерывных систем РА яв- ляется дрейф нуля их регулировочных характеристик. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · В обобщённой структурной схеме влияние дрейфа нуля учитывается сиг- налом сдвига (t), например, в системах автоматического сопровождения цели РЛС сигнал (t) учитывает дрейф нуля пеленгационной характеристики. Функциональные устройства систем РА, указанные в обобщённой струк- турной схеме, включают устройства измерения сигнала ошибки, исполнитель- ные и корректирующие устройства, предназначенные для создания необходи- мых динамических характеристик (например, фильтр нижних частот). ОУ – объ- ект управления (антенна РЛС, перестраиваемый генератор в системе ФАПЧ и т. д.), F(e) – дискриминатор, который имеет нелинейную характеристику. При ма- лых сигналах ошибки амплитудная характеристика дискриминатора может быть линейной: д д u k e (3.25) Форма дискриминационной характеристики зависит от амплитуды сигнала ошибки, что приводит к нежелательным изменениям динамических характери- стик систем РА. Для исключения такой зависимости проводится нормировка сиг- нала по амплитуде, что достигается введением АРУ или ограничителя. Иногда в системах радиоуправления радиотехнических устройств встреча- ются системы, структурные схемы которых отличаются от их рассмотренной обобщённой схемы, например системы автоматического сопровождения борто- вых РЛС. Они выполняются как комплексные системы, в которых для повыше- ния точности имеется дополнительный канал. Однако в этих случаях введённая обобщённая структурная схема РА является основой для анализа ее качествен- ных и количественных характеристик. 40 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Контрольные вопросы по главе 3 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1. Каково назначение автоматической регулировки усиления? 2. По какому принципу делятся системы АРУ? 3. Дайте определение разомкнутой и замкнутой системы АРУ. 4. Каково назначение системы фазовой автоподстройки частоты? 5. Каково назначение системы частотной автоподстройки частоты? 6. В чем отличие систем ФАПЧ и АПЧ? 7. Каково назначение системы автоматического сопровождения цели РЛС? 8. Каково назначение системы автоматического измерения дальности РЛС? 9. Представьте обобщённую структурную схему системы радиоавтома- тики. 41 4.1 Описание элементов систем радиоавтоматики Исходными уравнениями для анализа систем РА являются дифференци- альные уравнения ее элементов, которые составляются на основании принципов их работы. В большинстве случаев эти уравнения оказываются нелинейными, что усложняет анализ систем. Поэтому всегда, когда это можно, стремятся про- вести линеаризацию характеристик нелинейных устройств. Линеаризацию про- изводят по формуле Тейлора, в соответствии с которой разложение нелинейной функции двух аргументов имеет вид [2–4]: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 1 2 2 , , , , , , , x x x x z z z z n x x x x z z z z F F y F x z F x z x x z F F z x z R x z (4.1) где x 0 , z 0 – постоянные установившихся значений, входных параметров перемен- ных x и z; x, z – малые отклонения от установившихся значений x и z; R n+1 – остаточный член. При работе устройств в составе системы РА отклонения x и z малы, по- этому в выражении (4.1) можно ограничиться только первыми порядками откло- нений этих переменных. В этом случае из (4.1) следует, что приращение выход- ного сигнала определяется как 0 0 , x z y y F x y k x k z (4.2) где 0 0 z z x x x x F k ; 0 0 z z x x z z F k – коэффициенты передачи. 4 Элементы систем радиоавтоматики и типовые радиотехнические звенья 42 Выражение (4.2) и является линеаризованным уравнением элементов си- стем РА. В общем случае это уравнение содержит не только отклонения пере- менных, но и их производные, т. е. в результате линеаризации получается диф- ференциальное уравнение, преобразование Лапласа которого определяет переда- точную функцию линеаризованных элементов системы РА. Далее рассматриваются уравнения основных устройств системы РА и определяются их передаточные функции. 4.2 Элементы систем радиоавтоматики 4.2.1 Фазовые детекторы · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Фазовым детектором (ФД) называют устройство, предна- значенное для преобразования разности фаз двух синусоидальных ко- лебаний одинаковой частоты в напряжение (рис. 4.1). · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · U ФД (t) U 2 (t) U 1 (t) ФД 1 2 Рис. 4.1 – Функциональная схема фазового детектора Основной характеристикой ФД является зависимость выходного напряже- ния от разности фаз фд (φ) U F , где 1 2 φ φ φ – разность сравниваемых фаз напряжений. Функция F периодическая, так что фд (φ + 2π) U F k , 0, 1, 2, k В системах РА применяются ФД двух типов: балансные (векторомерные) и параметрические. Наиболее часто используют балансные ФД, которые эффек- тивно работают в области низких и высоких частот. Напряжение на выходе ба- лансного ФД образуется из векторной суммы и разности двух напряжений: опорного сигнала 43 1 1 ( ) sin ω ; u u t t входного сигнала 2 2 ( ) sin(ω φ). u u t t (4.3) Сумма и разность этих напряжений определяется выражениями: 1 2 1 1 ( ) ( ) sin ω ; u t u t A t 1 2 2 2 ( ) ( ) sin ω , u t u t A t где 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 2 cosφ ; 2 cosφ ; A U U U U A U U U U 2 2 1 2 1 2 1 2 sinφ sinφ ψ arctg ; ψ arctg cosφ cosφ U U U U U U В статическом режиме напряжение на выходе ФД определяется выраже- нием (рис. 4.2): 1 2 фд 1 2 фд 1 2 фд 2 2 1 2 cos φ 2 , U U u V V k A A k U U где фд k – коэффициент детектирования. 0 –/2 /2 – U фд () Рис. 4.2 – Дискриминационная характеристика фазового детектора При 2 1 U U фд фд 2 cosφ cosφ. u k U k (4.4) Выражение (4.4) приближенное, при 1 2 5 U U максимальная ошибка не превышает двух процентов. В соответствии с (4.2) линеаризованное нелинейное уравнение (4.4) будет иметь вид: 44 фд 0 cos φ sin φ φ , u k где 0 φ – значение фазы в установившемся режиме. При малых отклонениях фазы от 0 φ приращение напряжения на выходе ФД определяется выражением: фд фд 0 фд cosφ φ, u u k k где фд 0 sin φ k k – коэффициент передачи ФД. Из последнего выражения следует, что передаточная функция ФД фд фд ( ) W p k . Если учесть инерционность детекторов, то передаточная функция ФД будет иметь вид: фд фд фд ( ) , 1 k W p pT (4.5) где фд T – постоянная времени ФД. В параметрических ФД зависимость выходного напряжения от сдвига фаз аналогична выражению (4.4). 4.2.2 Частотные дискриминаторы Дискриминаторы предназначены для измерения сигнала рассогласования и преобразования его в постоянное или переменное напряжение. Различают ча- стотные и временные дискриминаторы. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Частотные дискриминаторы (ЧД) – это устройства, вы- ходные напряжения которых зависят от переходной частоты 0 ω : чд 0 (ω ω ). u F · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · По способу задания переходной частоты ЧД подразделяют на две группы. В дискриминаторах первой группы переходная частота определяется настройкой эталонного фильтра (колебательного контура). В ЧД второй группы переходная частота равна частоте колебаний напряжения с эталонного генератора. 45 Наиболее часто используют первую группу дискриминаторов с фазовым детектором (рис. 4.3), где фазовращатель сдвигает фазу сигнала на /2. В таком ЧД входной сигнал разделяется на две составляющие u 1 и u 2 , сдвиг фаз между которыми при точной настройке контура на переходную частоту равен /2. При отклонении частоты входного сигнала от переходной частоты сдвиг фаз изменя- ется в соответствии с фазовой характеристикой резонансного контура. В резуль- тате чего изменяется напряжение на выходе ЧД. U чд (t) U вх (t) ФВ Ф ФД Рис. 4.3 – Функциональная схема частотного дискриминатора Непосредственно из схемы (рис. 4.3) следует, что на ФД подаются напря- жения: 1 с 0 ( ) ( ) cos ω ω φ ; u t u t U t 2 с ф 0 ф π ( ) ω sin ω ω φ φ ω , 2 u t U W j t где – отклонение частоты напряжения от переходной частоты; ф () – фа- зовый сдвиг, создаваемый фильтром; ф ( ) ω W j – амплитудно-частотная харак- теристика фильтра по модулю. В соответствии с выражением (4.4) напряжение на выходе ЧД будет иметь вид: чд фд с ф ф фд с ф ( ) 2 ω sin φ ω 2 Im ω , u t k U W j k U W j (4.6) где ф Im ω W j – мнимая частотная характеристика фильтра. Выражение (4.6) определяет дискриминационную характеристику ЧД. Обычно используется нормированная характеристика: чд фд ф (φ) 2 Im ω . с u F k W j u 46 На дискриминационной характеристике (рис. 4.4) видно, что при малых значениях частотной расстройки характеристику можно считать линейной и ее можно представить в виде: ЧД (φ) ω, F k где ЧД k – коэффициент передачи частотного дискриминатора. Из этого выраже- ния следует, что передаточная функция ЧД равна ЧД ЧД ( ) W k p u чд Рис. 4.4 – Дискриминационная характеристика частотного дискриминатора Выражение для передаточной функции справедливо для линейного участка детекторной характеристики, т. е. когда полоса пропускания частотного дискриминатора больше эффективной ширины спектра его входного сигнала, в противном случае необходимо учитывать инерционность ЧД, которая определя- ется постоянной времени детектора. 4.2.3 Угловые дискриминаторы · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Угловые дискриминаторы (пеленгаторы) используются в си- стемах автоматического сопровождения по направлению для изме- рения рассогласования между продольной осью антенны РЛС и направлением на движущуюся цель и преобразования этого рассо- гласования в электрическое напряжение. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 47 В дискриминаторе с коническим сканированием антенной РЛС формиру- ется одна сканирующая (вращающаяся) диаграмма направленности, максимум которой смещён от продольной оси антенны (рис. 4.5). Если направление на цель совпадает с продольной осью 0X A , то цель облучается импульсами одной и той же мощности, поэтому амплитуда отражённых от нее импульсов будет постоян- ной. Если направление на цель не совпадает с продольной осью антенны, то в моменты времени, разделённые интервалом времени, равным половине периода сканирования, отражённые от цели импульсы будут иметь различные ампли- туды, т. е. будет осуществляться модуляция отражённого сигнала по амплитуде с частотой сканирования. При небольших отклонениях направления на цель от продольной оси антенны модуляция будет линейной [3, 4]: 0 s ск ( ) 1 cos ω φ , E t E k e t где E(t) – амплитуда отражённого от цели сигнала и принятого в момент времени t; E 0 – средняя амплитуда импульсов за период сканирования; k s – постоянный коэффициент; ск – частота сканирования; e – угловое рассогласование (значение e характеризует отклонение направления на цель); – знак отклонения направ- ления на цель. Y t, c е, В а) 0 Z e y e x e X A НЦ б) k s , E 0 e Рис. 4.5 – Принцип конического сканирования с определением составляющих ошибок (а) и выделением сигнала ошибок (б) 48 Если φ 0 при 0 t (рис. 4.5, б), то можно записать, что 0 s ск s ск ( ) 1 cos φ cos ω sin φ sin ω E t E k e t k e t Сигнал E(t) подаётся на два фазовых детектора. Опорными напряжениями являются два синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 90 . Опорные напряжения снимаются с генератора, кинематически связан- ного с устройством вращения диаграммы направленности так, что частота вра- щения диаграммы направленности и генератора опорных напряжений одна и та же. На выходе одного из фазовых детекторов возникает напряжение фд1 фд s уд cosφ x u k k e k e , на выходе другого – фд2 фд s уд sin φ y u k k e k e , где k уд – коэффициент передачи углового дискриминатора. Зависимость напряжения на выходе фазового детектора от сигнала рассо- гласования называется пеленгационной характеристикой дискриминатора. Передаточная функция углового дискриминатора с учётом инерционности фазового детектора имеет вид: уд уд фд ( ) 1 k W p pT (4.7) В угловом дискриминаторе с коническим сканированием приём отражён- ных импульсов происходит последовательно через промежутки времени, рав- ными периоду сканирования. За этот промежуток времени сигнал из-за отража- ющих свойств цели изменяется, что приводит к снижению точности измерения угла рассогласования. В моноимпульсных угловых дискриминаторах приём отражённых от цели сигналов осуществляется одновременно четырьмя антеннами, две из которых предназначены для пеленгации цели в одной плоскости, а две другие – в другой. Так как в каждой плоскости используется по два независимых канала, то ампли- тудные флуктуации отражённого сигнала не влияют на точность измерения угла рассогласования. 49 В зависимости от способа обработки принятых сигналов моноимпульсные дискриминаторы подразделяются на фазовые, амплитудные и суммарно-раз- ностные дискриминаторы. Рассмотрим работу моноимпульсного углового дис- криминатора на примере суммарно-разностного способа обработки. В таком дис- криминаторе направление на цель определяется путём сравнения фаз сигналов, принимаемых одновременно двумя антеннами (рис. 4.6). e X A 0 d R R 1 R 2 Цель Рис. 4.6 – Метод фазовой пеленгации Метод сравнения фаз заключается в оценке: 1 2 sin , sin , 2 2 d d R R e R R e где R 1 , R 2 – расстояния от антенн до цели; d – расстояние между центрами антенн. Разность расстояний 1 2 sin R R R d e позволяет найти разность фаз: 2π 2π φ sin , λ λ R d e (4.8) где – длина волны в открытом пространстве. Согласно (4.8), угловое рассогласование определяется через разность фаз принятых сигналов: 1 λ φ arcsin 2π e a (4.9) Выражение (4.9) неоднозначно, однако это не является серьёзным недо- статком, если расстояние между центрами антенн выбрать не больше диаметра антенны. 50 Принцип работы суммарно-разностного фазового моноимпульсного дис- криминатора рассмотрим на примере моноимпульсного приёмника системы ав- тосопровождения (рис. 3.15). Сигналы, принятые антеннами, подаются на вол- новодный мост, с одного из выходов которого снимается суммарный сигнал, с другого – разностный. Эти сигналы поступают на преобразователи частоты, со- стоящие из смесителей СМ с , СМ р и гетеродина. На выходах смесителей образу- ются суммарный и разностный сигналы промежуточной частоты, которые уси- ливаются усилителями промежуточной частоты. Для стабилизации уровней сиг- налов суммарного и разностного каналов в дискриминатор введено устройство автоматической регулировки усиления. Разностное напряжение поступает на фа- зовый детектор, опорным сигналом которого является суммарное напряжение. Для обеспечения нормальной работы ФД в разностный канал включён фазовра- щатель. Напряжение на выходе ФД: p p фд фд фд c c sin Δφ Δφ tg , 1 cosΔφ 2 k k u k k k k (4.10) где k р , k с – коэффициенты усиления разностного и суммарного каналов. С учетом выражения (4.8) по (4.10) получим: p фд фд c π ( ) tg sin λ k d u e k e k (4.11) На практике угловые дискриминаторы применяются для формирования си- стем: с коническим сканированием диаграммы направленности (с последова- тельным сравнением сигналов) и моноимпульсных (с мгновенным сравнением сигналов). |