Методические указания радиоавтоматика

Рис. 1.6

Измерение задержки τс (т.е. дальности до цели) производится компенсационным методом, при котором измеряемая величина сравнивается с другой величиной, принимаемой за опорную. В системе АСД в качестве опорной задержки τ0 принимают задержку, вырабатываемую устройством (схемой) управляемой задержки. Задержка τ0 характеризует измеренную дальность, которая в общем случае может отличаться от истинной дальности, характеризуемой задержкой, то величина Δτ=| τс− τ0 | где Δτ - ошибка измерения.

Чтобы знать, в какую сторону надо изменить τ0 для уменьшения величины Δτ, надо определить ее знак. Для этого положение импульса цели τс сравнивается с положением центра пачки селектирующих импульсов (рис. 1.5,а и 1.5,г), смещенного на τ0.

Это сравнение τс и τ0 осуществляется во временном дискриминаторе, структурная схема которого показана на рис. 1.6.а, а пояснявшие его работу эпюры на рис. 1.5,г,е,з. статистическая характеристика дискриминатора приведена на рис. 1.6,б, а на рис. 1.5,ж показано смещение этой характеристики при различных значениях задержки τ0 . Задержка τ0 определяет положение

11

импульсов селекции, которые открывают (стробируют) каскады УПЧ-1 и УПЧ-2 в моменты предполагаемого прихода импульса цели.

В состав АСД входит также регулирующее устройство, с помощью которого в зависимости от величины и знака Δτ по определенному закону перестраивается тактовый генератор, входящий в состав устройства управляемой задержки.

Более подробно с работой схемы можно ознакомиться в [1,c.23-28, 2,c.13-16, 3,c.122-138], схемы временного дискриминатора и управляемой задержки описаны, например, в [2,с.68-70, 1,с.23-28, 5].

2.3 Система АПЧ

Кроме селекции цели по углам и дальности, моноимпульсные РЛС позволяют осуществлять селекции цели по скорости. При этом система АПЧ следит за частотой Доплера. Такие моноимпульсные РЛС используют импульсные сигналы малой скважности. Место системы АПЧ в общей блоксхеме станции РЛС указано на рис.1.4. Каждый из каналов УПЧ стробируется импульсами, поступающими из системы АСД и совпадающими во времени с момента приема импульсов, отраженных от сопровождаемой (селектируемой) по дальности цели. Когда УПЧ открыты, принятый сигнал в каждом канале поступает на фильтр доплеровской частоты (ФДЧ), полоса которого соответствует диапазону измеряемых доплеровских частот. Выходной сигнал в ФДЧ суммарного канала проходит на смеситель, входящий в контур АПЧ.

На смеситель СМ3, выделяющий разностную частоту, поступает сигнал частоты fc=fc0±fд, где fc0 - номинальное значение частоты сигнала без допплеровского сдвига ±fд и сигнал частоты fг со следящего перестраиваемого гетеродина, причем при отсутствии доплеровского сдвига номинальное значение частоты гетеродина составляет fг0 (в дальнейшем предполагается, что fг0<fc0, т.е. имеет место, так называемая «нижняя» настройка гетеродина). Номинальной разностной частоте f0 соответствует нулевой сигнал на управитель частоты (УЧ). В качестве измерителя разностной частоты часто используют частотные дискриминаторы (ЧД) на двух расстроенных контурах, когда каждый из контуров расстроен относительно номинальной частоты f0 на ±Δf0.Рис. 1.7,а и 1.7,б показывают формирование дискриминационной характеристики ЧД, а рис. 1.7,в и 1.7,г поясняют механизм появления сигналаошибки. При отклонении разностной частоты от частоты f0 на выходе дискриминатора возникает уравнивание напряжения, воздействующее на регулирующую часть и изменяющее частоту следящего гетеродина. Таким образом осуществляется слежение частоты гетеродина за доплеровской частотой. Напряжение на управителе частоты служи т мерой измерения доплеровской частоты или составляющей скорости цели Vц в направлении на РЛС.

12

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.7

13

Работа системы АПЧ более подробно описана в [1, с.3-23]; [2,с.17-19];

[3].

Схемы дискриминатора и управителя частоты подробно описаны в

[2,с.58-63]; [ 5].

При большом уровне флюктуации уровня сигнала и случайном характере допплеровского сдвига слежение за мгновенными значениями частоты становится невозможным. В этом случае после смесителей СМ3 и СМ4 устанавливают узкополосные фильтры.

При работе в шумах АПЧ следит уже за средней частотой входного сигнала.

2.4 Модели автоматических систем управления

Рассмотрение описанных выше систем АСН, АСД и АПЧ позволяет установить некоторые общие черты и особенности этих систем управления, несмотря на различия в структурах и составах устройств. Нужно заметить, что эти общие черты присущи подавляющему большинству радиоавтоматических систем, и упоминавшиеся выше системы являются их типичными представителями.

Остановимся кратко на этих общих чертах.

1. Структурная схема каждой радиоавтоматической системы может быть представлена в виде, приведенном на рис.1.8. Чувствительный элемент – дискриминатор соответствующего параметра радиотехнического сигнала. Он выполняет обычно и роль сравнивающего устройства, формирующего сигнал ошибки. Задача регулирующей части – обеспечить требуемый закон динамического преобразования сигнала ошибки, сформированного дискриминатором, в сигнал управления исполнительным устройством. В радиоавтоматических системах, как правило, исполнительное устройство объединено с объектом управления.

Рис. 1.8

14

2. Чувствительный элемент (дискриминатор) может быть представлен в виде математической модели, состоящей из функционального преобразователя с S-образной статической характеристикой, соединенного последовательно (для импульсных и цифровых систем) с ключевым элементом (см.рис.1.9).

Рис. 1.9

3. Из описания работы систем моноимпульсной РЛС можно сделать вывод, что в общем случае радиоавтоматические системы являются нелинейными, нестационарными и импульсными.

Линейной непрерывной моделью автоматическая система может быть описана, во-первых, если система не содержит существенно нелинейных звеньев и если ошибка при всех режимах работы не выходит за границы линейного участка дискриминационной характеристики и линейных участков статических характеристик других звеньев; во-вторых, если за время, примерно равное (1÷2)/Δfn где fn - полоса пропускания системы, параметры системы не меняются; в-третьих, если период Т дискретизации по времени (период замыкания ключа в схеме математической модели (рис.1.9)), значительно меньше величины 1/2 fn.

4. Из рассмотрения характеристик дискриминаторов, принадлежащих различным системам, можно заключить, что если измеряемый параметр выйдет за границы зоны чувствительности измерителя (как говорят, его апертуры), то система разомкнется и слежение окажется невозможным. Поэтому, кроме режима слежения, радиоавтоматическим системам присущи два специфических режима: режим захвата, когда, варьируя состоянием объекта управления, добиваются попадания сигнала ошибки в зону чувствительности измерителя, и режим срыва слежения, когда под влиянием каких-либо факторов сигнал ошибки выходит из зоны чувствительности.

Знание перечисленных выше общих черт радиоавтоматических систем необходимо для понимания причин выбора их математических моделей и этапов проектирования.

15

Проектирование систем ведется по приводимому ниже техническому заданию.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

А. При контроле расчетов и допуске к экспериментальной части работы предъявляются все необходимые расчетно-графические материалы по пунктам 3, 5, 7, 9, 11, 13 и оформленные результаты экспериментальной части работы на ПЭВМ по предыдущей работе.

Масштабы при построении ЛАЧХ и ЛФЧХ должны быть приняты следующими: по оси частот I декада – 30 мм (или 60мм); по оси усиления I мм/дБ; по оси отсчета фазы 90o – 30 мм.

Б. К первой работе, кроме материала по п.3, предъявляются материалы по п.1 и 2, по которым проводится собеседование.

В. При контроле расчетов предлагаются дополнительные задачи на построение частотных, временных и других характеристик, звеньев и систем, на оценку точности систем и на методы коррекции систем в объеме перечисленной в задании литературы и лекций.

Г. Предъявляемые расчеты экспериментальных лабораторных исследований по всем пунктам задания оформляются единообразно на листах А4, которые подшиваются и хранятся до итогового зачета. Все графики с указанием масштабов по обеим осям выполняются на миллиметровой бумаге.

Д. Все пункты экспериментальных исследований при оформлении сопровождаются выводами, касающимися общих результатов исследования и сравнения результатов эксперимента с предварительным расчетом.

Е. После первого вводного занятия к каждому очередному занятию готовится следующий пункт задания. Праздничные дни не нарушают очередности выполнения пунктов задания.

Ж. Титульный лист отчета оформляется по образцу, приведенному в приложении.

3. Пункты на расчет автоматической системы и ее исследование на

ПК.

1. Ознакомиться по литературным источникам с принципом работы системы по варианту и письменно кратко охарактеризовать ее назначение и особенности.

Для ознакомления с принципом действия системы по варианту необходимо проработать следующие учебные пособия:

16

а.) по системе АСН в целом [1,с.23-33; 2с.13-16; с.156-163], по элементам системы АСН [1,с.67-75].

б.) по системе АСД в целом[1,с.131-138; 2,с.16-17], по элементам систе-

мы АСД [1,с.75-79; с.68-71].

в.) по системе АПЧ вцелом [1,c.9-16; 2,с.17-19; 3,с.142-145], по элементам системы АПЧ [1,с.56-66 ;2,с.58-63]

2.Выяснить назначение отдельных элементов системы по варианту и их место в системе, обратив особое внимание на дискриминатор. Привести в отчете структурную схему, математическую модель и принципиальные схемы дискриминатора и исполнительного устройства.

3.Разбить передаточную функцию неизменяемой части системы по варианту на типовые динамические звенья первого порядка.

а) рассчитать и построить ЛАЧХ, ЛФЧХ, АФЧХ, переходную характеристику h(t) и реакцию l(t) на линейно меняющееся воздействие.

б) повторить пункт а) для случая, когда каждое звено охвачено ООС.

4. Набрать на лабораторной установке модели типовых динамических звеньев системы по варианту и для каждого звена:

а) снять переходную характеристику h(t) и сравнить её с рассчитанной;

б) исследовать влияние параметров звена на вид h(t);

в) определить реакцию l(t) на линейно меняющееся воздействие;

г) повторить пункты а), б), в), охватывая звенья ООС, и сравнить результаты с расчётами.

Для выполнения данного пункта необходимо:

1)запустить Simulink.

2)щёлкнуть мышкой по иконке NewModel.

3)зайти в библиотеку Simulink и во вкладке Continuous выбрать либо Integrator, для исследования интегрирующего звена, либо TransferFcn, для исследования инерционного звена. Перетащить выбранный блок в окно модели.

4)во вкладке Sources выбрать блок Step, для построения переходной характеристики или блок Ramp, для построения реакции на линейно меняющееся воздействие. Перетащить выбранный блок в окно модели.

5)во вкладке Sinks выбрать блок Scope осциллографа и перетащить его

вокно модели.

17

6) соединить все блоки в одну систему: около блока генератора нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее дотянуть линию до интегрирующего/инерционного звена; проделать то же самое для соединения звена и осциллографа.

В результате проделанных действий должно получиться примерно следующее:

Рис. 3.1 Модель интегрирующего звена.

7) нажать кнопку Start/Pause Simulation. Выбрать блок осциллографа Scope и получить характеристику:

18

Рис. 3.2 Характеристики h(t) и l(t) для интегрирующего звена без ООС

8) Для получения замкнутой системы с ООС используем блок Sum, находящийся во вкладке MathOperations, который отвечает за суммирование или вычитание сигналов, Разрывая схему после входного воздействия и соединяя ее с выходом системы, необходимо нажать на блок сумматора и в строке List of signs вместо ++ поставить +-.

Рис.3.3 Параметры блока сумматора.

9) чтобы получить характеристики для системы с ООС необходимо повторить пункты описанные ранее.

19

Рис. 3.4 Модель инерционного звена, охваченного ООС

10) сохранить полученные результаты.

5. Для всей совокупности последовательно соединённых звеньев неизменяемой части системы без коррекции по индивидуальным данным:

а) построить в масштабе ЛАЧХ, ЛФЧХ, АФЧХ разомкнутой части системы

б) определить запасы устойчивости по модулю и фазе;

в) определить графически, где это возможно, критическое значение коэффициента усиления Ккр;

г) определить графически значение коэффициента усиления Кф, при котором запас по фазе не менее 30О;

д) изобразить примерный вид переходной характеристики для замкнутой системы и для значений К>Ккр, К=Ккр, К=Кф;

6. Набрать на установке нескорректированную замкнутую систему по варианту и:

а) исследовать переходную характеристику h(t) при исходном коэффициенте усиления Ки, оценив при этом перерегулирование σ% и время установления Ту;

б) повторить пункт а для выбранных значений К;

в) построить по данным пунктов зависимость σ% (К) и Ту (К);

20