Прикладные системы радиоавтоматики

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»


Инженерно-технологическая академия





        И. В. МАЛЫШЕВ
        Н. В. ПАРШИНА




        ПРИКЛАДНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ


Учебное пособие
















Ростов-на-Дону - Таганрог
        Издательство Южного федерального университета
2020

УДК 621.396.6 - 52(075.8)
ББК 32. 844я73
     М207
Печатается по решению кафедры радиотехнической электроники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (протокол № 6 от 13 февраля 2020 г.)
Рецензенты:
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
И. М. Пономарёв
кандидат технических наук, доцент С. П. Авдеев

     Малышев, И. В.
М207 Прикладные системы радиоавтоматики : учебное пособие / И. В. Малышев, Н. В. Паршина ; Южный федеральный университет. -Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 90 с.
          ISBN 978-5-9275-3586-6
          В учебном пособии приведён материал, входящий в состав программ курсов «Схемотехника», «Импульсные цифровые устройства», в которых рассматриваются прикладные системы радиоавтоматики, относящиеся к её цифровым разновидностям. Каждый раздел содержит примеры решения задач по основным теоретическим пунктам, изложенным в нём, и перечень контрольных вопросов для самопроверки усвоенного материала. Пособие предназначено также для курсов, читаемых для бакалаврских направлений подготовки 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», но может представлять интерес и для обучающихся на других направлениях.

УДК 621.396.6 - 52(075.8)
ББК 32. 844я73
ISBN 978-5-9275-3586-6



                                  © Южный федеральный университет, 2020
                                  © Малышев И. В., Паршина Н. В., 2020
                                  © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................... 5
1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ В
ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ.......................................... 7
  1.1. Качественные показатели систем радиоавтоматики.....  7
  1.2. Оценка качества переходного процесса по ЛАЧХ разомкнутой системы......................................... 11
  Контрольные вопросы................................. 14
2. ТОЧНОСТЬ СИСТЕМ РА ПРИ ТИПОВЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ................................................. 15
  2.1. Погрешности систем РА при типовых разновидностях внешних воздействий......................................... 15
  2.2. Влияние воздействия помех на точность систем РА.... 19
  Контрольные вопросы..................................... 24
3. НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ..................... 26
  3.1. Особенности нелинейных систем радиоавтоматики...... 26
  3.2. Метод гармонической линеаризации нелинейных связей. 29
  3.3. Дискретные системы радиоавтоматики................. 33
  Контрольные вопросы..................................... 36
4. ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ.................................................. 37
  4.1. Системы РА адаптивного вида........................ 39
  4.2. Экстремальные системы РА........................... 49
  4.3. Адаптивные системы антенных решеток................ 53
  Контрольные вопросы..................................... 58
5. ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ..................... 59
  5.1. Основные свойства и назначения систем радиоавтоматики, работающих в импульсном режиме.......................... 59
  5.2. Радиоавтоматические импульсные системы и их передаточ  ные функции (ПФ)........................................ 66
  5.3. Оценка устройства ИС РА............................ 70
  Контрольные вопросы..................................... 73

3

Содержание

   6. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ.................. 75
    6.1. Функциональные схемы РА в обобщённом виде...... 75
    6.2. Цифровая фильтрация............................ 79
    6.3. Анализ проблем цифровых систем радиоавтоматики. 81
    Контрольные вопросы................................. 87

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................... 88

   СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 89

ВВЕДЕНИЕ

      В век научно-технической революции все новейшие разрабатываемые радиоэлектронные системы и системы радиосвязи, радиолокации, радионавигации должны быть оснащены современными автоматическими средствами и системами управления (АСУ) с возможностью контроля и корректировки их выходных параметров и функционального предназначения. При этом возможна унификация некоторых узлов и их способность к использованию в виде качественно новых элементов с применением иных прикладных функциональных возможностей. Как правило, в таких радиоэлектронных системах исследуемые радиосигналы обрабатываются без участия человека, т.е. автоматически и такие системы входят в состав практически всего современного оборудования, в которой радио информация излучается в эфир (сотовые телефоны с Wi-Fi, спутниковые радионавигационные системы (ГЛОНАСС, GPS, Galileo), и другие.
      Теория современных АСУ базируется на функциональном сходстве радиоавтоматических систем (РА) с автоматическими системами управления (АСУ), разработанных в 19-20 в.в., в основе которых лежит упомянутое сходство единства теоретической базы - теории АСУ с базой РА. Однако наибольшее внедрение получили базовые элементы, составляющие системы РА и АСУ, как управляющие процессорные и компьютерные узлы, усилители, корректирующие и исполнительные устройства, серверы и т.д.
      Теория АСУ, как отдельная учебная дисциплина, была сформирована в 50-х гг. в работах, в основном советских учёных Н. Н. Боголюбова, Н. А. Крылова, А. Н. Колмогорова, А. В. Михайлова, и др. Современная теория автоматического управления развивается по пути разработок новых цифровых методов, пакетов прикладных программ с использованием новейших вычислительных устройств.
      Базовым функциональным назначением радиоавтоматических систем, для дальнейшей обработки полученных данных, является получение управляющей информации, содержащейся в изменениях динамических параметров радиосигнала: амплитуды, частоты, фазы, времени задержки, а также ориентированного направления прихода (эффекта Доплера). При этом могут использоваться вспомогательные дополнительно обработанные

5

Введение

радиосигналы, вырабатываемые другими узлами системы. Такая потребность в использовании АСУ в системах РА вызвана стремительно развивающейся скоростью развития разнообразия и сложности функций современных систем радиоэлектроники и телекоммуникации, нестабильным и вероятностным характером происходящих в них процессов.
      В настоящем учебном пособии, представляющем собой продолжение первой части материала, посвящённого радиоавтоматическим системам, особое внимание уделено как вопросам оптимизации систем РА, связанных с решением основных задач с заранее неизвестной информацией о сигналах и шумах и включающих проблемы с априорной неопределенностью, так и оценке точности этих систем, работающих в переходном режиме. В результате применения первого метода, изложенного в первой части пособия, исследуются самонастраивающиеся (адаптивные) системы, которые изменяют свои параметры или структуру в соответствии с оценками неизвестных заранее параметров.
      Во второй части учебного пособия рассмотрены вопросы функционирования и расчетов нелинейных, адаптивных и оптимальных систем радиоавтоматики (включая принципы ФАПЧ, ИСС и их устойчивости), а также основы работы импульсных и цифровых систем радиоавтоматики, которые сегодня являются основными системами, применяемыми в радиотехнических устройствах.

        1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ
        В ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ

        1.1. Качественные показатели систем радиоавтоматики

     Качество работы систем радиоавтоматики (РА) при их функционировании оценивается на основе заранее известной структурной схемы и основных параметров. В случае устойчивости анализируемой системы обычно изучают тип переходных процессов её цепей, а также погрешности, возникающие при работе с полезным сигналом при условии подавления помех.
     При этом используются типовые «показатели качества», на которые значительно влияют как параметры входных сигналов, так и помехи, сопровождающие их. Эти изменения сигналов и помех, описываются случайными процессами. Исключение представляют некоторые типовые воздействия, проявляющиеся особенно в переходном режиме. Они имеют вид детерминированных функций от времени: единичной ступенчатой L-функции; дельта-функции Дерака или функции линейного, квадратичного или гармонического видов (классическим и распространённым видом является реакция на единичную ступенчатую функцию l(t)) [1].
     Точность работы систем радиоавтоматики оценивается с помощью анализа случайных временных функций.
     Показатели качества переходного процесса различных систем РА определяются их переходной функцией. Основные показатели следующие:
     1)      длительность переходного процесса (ПП) (tₙₙ), которая определяется в виде временного отрезка от подачи единичной функции 1(t) до того момента, когда стационарное значение переходной функции не будет превышать 5 % от момента скачка;
     2)      перерегулирование (а), определяемое как дробь в числителе, которая находится как разность между наибольшим значением переходной функции и её стационарным значением, а в знаменателе находится ве-лична этого стационарного значения;


7

1. Оценка качества систем радиоавтоматики в переходном режиме

      3)       время tmi - интервал, когда у переходной функции появляется первый максимум (характеризует начальную скорость в начальном интервале изменения переходной функции);
      4)       частота колебаний в период действия переходного процесса апп = 2гс/Т (Т - период колебаний, который имеет функция переходного процесса) [2].
      Графики переходного процесса, построенные аналитическим способом или найденные при помощи компьютерных технологий, используются для нахождения вышеперечисленных показателей.
      В настоящее время переходную функцию проще всего построить с помощью компьютерных пакетов MatCad, MATLAB или MicroCap.
      Установившееся значение переходной функции заданной системы можно вычислить по теореме о конечном значении, которая в данном случае имеет вид


        h = limpK( p)1 = Кз(0), p '0       p


(1.1)

где Кз(р) - передаточная функция замкнутой системы.
      В астатических системах РА установившееся значение переходной функции (1.1) всегда равно единице, в статических системах h« не равно единице.
      Наличие переходной функции позволяет легко найти реакцию системы на ступенчатый сигнал любой интенсивности, например, (рис. 1.1), x(t) = x₀1(t), где x₀ ^ 0, то выходной сигнал системы при отсутствии помех y(t) = x0h(t), т.е. в этом случае выходной сигнал системы отличается от переходной функции только масштабом.
      Качество процесса управления интерпретируется заштрихованной областью (рис. 1.1), которая является границей области, нахождения управляемой переменной.
      В качестве базовых элементов, определяющих зоны допустимого качества систем РА, можно определить: период времени от начала до конца переходного процесса tₘ, величину параметра h«, а также величину параметров превышения emax (рис. 1.1, а). При этом, допустимые зоны, требуемого качества, расположены относительно прямой заданной величины h«


8

1.1. Качественные показатели систем радиоавтоматики

(когда emax = g/ь (рис. 1.1, а)) или вокруг оси абсцисс (е или h), при рассмотрении переходной функция изменения постороннего возмущения или действующей помехе (когда emax = ah(0) (рис. 1.1, б)).

Рис. 1.1. Границы временных областей заданного качества управления в пределах переходного процесса

      Вид изменения переходной функции определяет и её переходной процесс, который может иметь характер монотонного, колебательного или апериодического воздействия (рис. 1.2). Например, монотонным можно считать переходной процесс, у которого e(t) = /ь - h(t) уменьшается при t ^ ж (график 1).
      У апериодического процесса бывает не более одного экстремума (график 2). У колебательного процесса в течение определенного периода управляемая переменная по аналогии с колебаниями отклоняется в обе стороны от стационарного значения (график 3).

Рис. 1.2. Характер затухания при скачкообразном воздействии

9

1. Оценка качества систем радиоавтоматики в переходном режиме

      Наличие перерегулирования системы переходной функции приводит к значительным перенапряжения в звеньях системы РА при больших величинах а Это ведет к тому, что при проектировании таких систем техническое задание содержит предельное значение перерегулирования (для систем РА допустимо ст < 30 %).
      Длительность переходного процесса /пп (отрезок времени, после которого переходная функция не превосходит значение отклонения 8h« (рис. 1.2) (обычно принимают 8 < 0,05)). Поэтому быстродействие системы РА обратно пропорционально величине /ш.
      Скорость затухания колебательного ПП, как и у параметра /пп, определяется параметром Nk (число колебаний переходной функции).
      Этот показатель определяется числом колебаний функции за время ПП. Обычно Nk < 1,6-2, так как при больших значения Nk могут возникнуть нежелательные колебания в системе и износ механических элементов.
      Пример 1.1. Найти переходный процесс в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), передаточная функция которой в разомкнутом состоянии определяется выражением
Kp (p) = 200 (1 + 0,04p) /[p(1 + 0,1 p)(1 + 0,004 p)].
      Решение. Передаточная функция замкнутой ФАПЧ имеет вид
K₃ (p) = 200(1 + 0,04p) /[ p(1 + 0,1 p)(1 + 0,004p) + 200(1 + 0,04p)].
      Для удобства применения пакета MATLAB, представим числитель и знаменатель Кз(р) в виде полиномов:
K ₃( p) = 200(1 + p 0,04)/[ p (1 + p0,1) + 200(1 + p0,04)].
      Для упрощения пренебрежем постоянной времени фазового детектора. Тогда передаточная функция замкнутой ФАПЧ:
K 3 (p) = (8 p + 200) /(0,0004p³ + 0,104 p + 9 p + 200).
      Введя в MATLAB команды:
sys1 = tf([8-200], [0,0004 0,104 9 200]);
step(sys1, 0,15).
получим график переходной функции исследуемой системы, приведенный на рис. 1.3.

10

1.2. Оценка качества переходного процесса по ЛАЧХразомкнутой системы

Time (sec)
Рис. 1.3. Переходная функция системы ФАПЧ
       По графику на рис. 5.3 или непосредственно в MATLAB находим: h,. = 1, hmax = 1,13, tₘ₁ = 0,04 c, tₙₙ = 0,072 с. Следовательно, перерегулирование ст =13 %.


        1.2. Оценка качества переходного процесса по ЛАЧХ разомкнутой системы

      В случае, когда у разомкнутой системы частота среза госр расположена на участке логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) с крутизной - 20 дБ/дек, то колебательный характер ПП такой замкнутой системы будет наименьшим, что доказано в результате изучения систем РА, у которых имеются различные виды разомкнутых ЛАЧХ [2]. Из соотношения
tnn > rc/rocp                        (1.2)
можно определить время действия ПП.
      В этом уравнении (1.2) параметр аср записан для замкнутой системы. В иных случаях его используют для разомкнутой системы.
      Таким образом видно, что переходная характеристика системы РА будет стремиться к виду экспоненциальной формы. При меньших значениях времени Тпп, т.е. устремление этого параметра к величине ъ/аср , область ЛАЧХ с крутизной - 20 дБ/дек будет шире.

11

1. Оценка качества систем радиоавтоматики в переходном режиме

      На практике применение универсальных характеристик ПП и типовых ЛАЧХ позволяют оценить качество ПП при применении ЛАЧХ.
      На (рис. 1.4). приведены классификационные кривые ЛАЧХ, состоящие из типовых элементов систем РА, которые позволили построить универсальные графики, для нормированного времени.


Рис. 1.4. Универсальные переходные характеристики ЛАЧХ
      На этих графиках на базе известных ЛАЧХ и их параметров можно выбрать универсальную зависимость h(ro₀t). А разделив текущий масштаб оси абсцисс на параметр а₀ (зависящий от порядка астатизма, определяемого относительно параметров Ti и Ti) в итоге находят характеристику нужного ПП [2].
      Наиболее часто, встречающиеся виды ЛАЧХ для систем с первым и вторым порядками астатизма изображены на рис. 1.5.

Рис. 1.5. ЛАЧХ для систем с астатизмом первого и второго порядка

12