Коррекция систем радиоавтоматики

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

КОРРЕКЦИЯ 
СИСТЕМ 
РАДИОАВТОМАТИКИ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано
методическим советом УрФУ для студентов,
обучающихся по направлениям
11.04.01 «Радиотехника»
и 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 519.6:681.513.3(075.8)
ББК 32.965.84-016.4я73
          С17
Рецензенты: 
Уральский технический институт связи и информатики (филиал) СибГУТИ (зам. завкафедрой общепрофессиональных дисциплин технических специальностей доц., канд. техн. наук Н. В. Будылдина);
проф. кафедры общей физики, д-р физ.-мат. наук А. Д. Ивлиев (Российский государственный профессионально-педагогический университет)

Научный редактор проф., канд. техн. наук Д. В. Астрецов

 
Самусевич, Г. А.
С17    Коррекция систем радиоавтоматики : учебно-методическое 
пособие / Г. А. Самусевич. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2016. — 140 c.

ISBN 978-5-7996-1833-9

Содержит краткое описание теоретического материала, необходимого для практического изучения непрерывных систем и систем с прерывистым режимом работы. Приведено подробное описание особенностей анализа и коррекции, проиллюстрированное на многочисленных примерах 
систем радиоавтоматики, аналогичных примерам индивидуальных заданий. Большое внимание уделяется обсуждению полученных результатов 
и оформлению работы.
В прил. 1–3 учебно-методического пособия приведены варианты индивидуальных домашних заданий. Выполненные работы рассматриваются как материалы для подготовки к лабораторному практикуму по дисциплине «Радиоавтоматика».
Библиогр.: 8 назв. Табл. 6. Рис. 50. Прил. 4.
УДК 519.6:681.513.3(075.8)
ББК 32.965.84-016.4я73

ISBN 978-5-7996-1833-9 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Предисловие

П

редставленное учебно-методическое пособие по дисциплине «Радиоавтоматика» предназначено для студентов направления: С. 11.03.01 «Радиотехника», уровень подготовки — бакалавр, С. 11.05.01 «Радиоэлектронные 
системы и комплексы», уровень подготовки — специалисты.
Дисциплина «Радиоавтоматика» посвящена изучению следящих радиосистем — аналоговых и систем с прерывистым режимом работы (дискретных и цифроаналоговых). Представлены методы анализа, основанные на использовании основных 
характеристик, которые позволяют определить основные показатели качества системы. Предпочтение отдается применению 
частотных характеристик систем и по возможности их графическому представлению. Демонстрируется применение коррекции в тех случаях, когда аналоговые или цифроаналоговые 
системы не удовлетворяют заданным техническим условиям 
на проектирование систем радиоавтоматики.
На всех стадиях изучения дисциплины применяются программные продукты, разработанные на кафедре РТС.

1. Принципы автоматического управления

1.1. Классификация автоматических систем управления
З

накомство с основными принципами построения 
и функционирования систем автоматического управления (САУ), применяемых в радиотехнике, удобно проводить в форме краткой классификации таких систем.
В зависимости от способа формирования управляющего воздействия различаются принципы управления:
· по возмущению (разомкнутые системы);
· по задающему воздействию (разомкнутые системы);
· по рассогласованию — отклонению управляемой величины от требуемого значения (замкнутые системы);
· принцип комбинированного управления.

1.1.1. Разомкнутые САУ

При управлении по возмущению решается задача компенсации влияния возмущения (помех) на управляемую величину, 
но только по тем основным возмущениям, по которым имеется 
возможность получить непосредственную информацию.
Принцип управления по задающему воздействию применяется тогда, когда требуемая управляемая величина y(t) в значительной мере изменяется под действием задающего воздействия х(t). В частном случае управляемая величина должна 
воспроизводить задающее воздействие (рис. 1.1).

1.1. Классификация автоматических систем управления

х(t)
y(t)
u(t)

ЗУ
АУУ
ОУ

Рис. 1.1. Функциональная схема САУ в разомкнутом состоянии

Задающее устройство (ЗУ) вырабатывает задающее воздействие х(t), в соответствии с которым должна изменяться управляемая величина y(t) на выходе объекта управления (ОУ). Автоматическое управляющее устройство (АУУ) в зависимости 
от воздействия х(t) формирует управляющее воздействие u(t), 
влияющее на объект управления и, следовательно, изменяющее управляемую величину y(t).
Недостаток разомкнутой системы заключается в том, что 
в ней не производится никаких действий, если управляемая величина y(t) не соответствует требуемой из-за некомпенсируемых возмущений или изменений характеристик объекта управления или элементов системы.

1.1.2. Замкнутые САУ

В рассматриваемых системах используется принцип 
управления по отклонению. Требуемое значение управляемой величины yтр(t) определяется задающим воздействием 
х(t), а в изучаемом частном случае (в рассматриваемой дисциплине) совпадает с ним yтр(t) = х(t). Отклонение (рассогласование) ∆(t) управляемой величины от ее требуемого значения 
вызывается как возмущающими воздействиями (помехами), 
изменением управляемой величины от ее требуемого значения, так и изменением х(t). В соответствии с ним вырабатывается управляющее воздействие u(t), которое, влияя на объект 
управления, должно уменьшить это отклонение. Таким образом, принцип работы замкнутой САУ можно сформулировать 
как процесс сведения рассогласования к нулю.

1. Принципы автоматического управления

На рис. 1.2 представлена функциональная схема такой системы. В состав системы входят следующие элементы:
· задающее устройство (ЗУ), определяющее входное воздействие х(t);
· выходная величина y(t), подаваемое на звено обратной 
связи (ЗОС);
· элемент сравнения, предназначенный для вычисления 
рассогласования, т. е. разности D( )
( )
( )
t
x t
y
t
=
ос
;
· автоматическое управляющее устройство (АУУ), в зависимости от рассогласования вырабатывающее управляющую величину u(t), под действием которой объект управления (ОУ) изменяет свое состояние.

х(t)
∆(t)
u(t)
y(t)

ЗУ
АУУ
ОУ

ЗОС

yос(t)

Рис. 1.2. Функциональная схема САУ в замкнутом состоянии

Элемент сравнения — это элемент с двумя входными и одной выходной величинами. Выходная величина может быть как 
суммой, так и разностью входных величин. В данной системе 
вычисляется разность входных величин, т. е. рассогласование. 
Такая система называется системой с отрицательной обратной связью. САУ с положительной обратной связью рассматриваться не будут.
Достоинства замкнутых систем:
· управление осуществляется такое же, как при действии 
внешних возмущений, изменении параметров системы 
или задающего воздействия;
· управление осуществляется по малому рассогласованию, 
которое должно быть хотя бы на порядок меньше вычитаемых величин;

1.1. Классификация автоматических систем управления

· замкнутые системы менее чувствительны к изменению 
параметров элементов системы, чем разомкнутые системы, в которых эти изменения не компенсируются;
· в замкнутых системах возникает проблема устойчивости.
Однако, благодаря существенным преимуществам, системы с отрицательной обратной связью имеют широкое применение в технике, и именно они будут изучаться в дальнейшем.

1.1.3. Принцип комбинированного управления

В этих системах сочетаются принципы управления по отклонению и по возмущению. Принцип управления по отклонению 
реализуется с помощью главной обратной связи, а по возмущению — с помощью компенсационных связей.

1.1.4. Самонастраивающиеся САУ

САУ подразделяются на системы с полной и неполной информацией о свойствах самой системы, задающего воздействия 
и возмущений. Недостающая информация, если она существует, должна быть восполнена тем или иным способом в процессе функционирования системы. В качестве примера описания 
систем с неполной информацией приводится описание принципов работы самонастраивающихся систем.
Наиболее часто применяются системы:
· экстремального типа;
· с эталонной моделью.
Назначение системы экстремального типа заключается в достижении максимального или минимального значения заданного параметра. В систему вводится дополнительный поисковый сигнал, и по реакции на него звено анализа вырабатывает 
сигнал управления.
В самонастраивающейся системе с эталонной моделью осуществляется автоматическая настройка объекта управления, па

1. Принципы автоматического управления

раметры которого должны совпасть с параметрами эталонной 
модели. Поисковый сигнал воздействует и на объект управления, и на эталонную модель. По результатам анализа вырабатывается сигнал, действующий на объект управления.
Классифицировать САУ можно по алгоритмам функционирования и методам математического описания.
Классификация САУ по алгоритмам функционирования такова:

1. Системы стабилизации. Задающее воздействие постоянно х(t) = const. Задача системы заключается в поддержании постоянной управляемой величины, несмотря на действие помех.

2. Программные системы. Необходимо обеспечить изменение управляемой величины в соответствии с заданной программой, определяемой задающим воздействием х(t) — заранее 
заданной функцией времени.

3. Следящие автоматические системы. Задающее воздействие х(t) — заранее неизвестная функция времени. Система 
должна воспроизводить его. Например, антенна радиолокатора поворачивается, следуя за самолетом, траектория движения 
которого заранее неизвестна.
В следящих системах управляемая величина по физической 
природе может отличаться от задающего воздействия. Например, задающим воздействием может быть напряжение, а управляемой величиной — напряжение, угловое или линейное перемещение, частота напряжения и т. д.
Классификация САУ по методам математического описания следующая:

1. Непрерывные (аналоговые) системы. Для описания их в общем виде используется система обыкновенных дифференциальных уравнений. Различают нелинейные, линеаризованные и линейные уравнения.

2. Системы с прерывистым режимом работы. В предлагаемой работе подразделяются на импульсные (дискретные), 
цифровые и цифроаналоговые.

1.2. Системы радиоавтоматики

1.2. Системы радиоавтоматики

Рассматриваются принципы функционирования четырех 
систем радиоавтоматики:
· системы автоматического сопровождения по направлению движущихся объектов (АСН);
· системы автоматического сопровождения по дальности 
(АСД);
· системы автоматической подстройки частоты (ЧАП);
· система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

1.2.1. Система автоматического сопровождения 
по направлению движущихся объектов (АСН)

Положение движущегося объекта (цели) в земной системе координат (рис. 1.3, а) задается радиусом-вектором r(t) 
(рис. 1.3, б), имеющим три сферические координаты:
· расстояние до цели (модуль вектора r(t));
· угол места φ(t) — угол наклона вектора r(t) к плоскости 
горизонта в вертикальной плоскости;
· угол азимута ψ(t) — угол в горизонтальной плоскости между направлением на север (ось 0x) и проекцией вектора 
r(t);
· Vц (t) — вектор скорости цели.
Для измерения положения цели служит РЛС, которая в данном случае выполняет роль датчика: на входе — действительный радиус-вектор r(t), на выходе — его измеренное значение 
rи(t) (рис 1.3, а). Этот датчик является элементом какой-то большой системы, но, в свою очередь, и сам представляет собой систему автоматического управления.
Рассматриваемая измерительная система состоит из трех 
независимых каналов измерения сферических координат цели: 
канала наклонной дальности (АСД) и двух угломерных каналов