Radioavtomatika

УДК 621.391(07)

ББК В171я7

С 59

Соколов А. И., Чистякова С. С.

С 59 Радиоавтоматика. Учеб.-метод. пособие / под общ. ред. А. И. Соколова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 121 с.

ISBN 978-5-7629-1912-8

1

Приведено описание работ стандартного лабораторного и практического цикла дисциплины. Содержатся сведения о принципах построения моделей устройств автоматического управления и порядке их исследования. Изложена методика проведения исследований физических и математических моделей, изучаемых в дисциплине систем. Описано использование среды «DesignLab» для моделирования устройств радиоавтоматики. Приведена краткая инструкция для работы в среде «DesignLab 8.0», дано описание заданий для выполнения десяти работ лабораторного цикла и семи работ практического цикла.

В обновленном пособии дополнительно представлены метод.указания для выполнения двух лабораторных работ (работы 9 и 10) и одного практического задания (задание 5). Кроме того, даны рекомендации для исследования устройств в среде визуального моделирования Electronic Workbench (работа 11), позволяющие выполнять лабораторные работы вне лаборатории в режиме дистанционного обучения. В приложении изложена методика проведения интерактивных практических занятий с использованием компьютерных технологий (приложение 2).

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей.

УДК 621.391(07).9

ББК В171я7

Рецензент: начальник научно-исследовательского сектора АО «ВНИИРА-Навигатор» д-р техн. наук О.И.Саута

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПЧ – автоподстройка частоты АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

ДПКД – делитель с переменных коэффициентом деления ИФД – импульсный фазовый дискриминатор ЛХ – логарифмическая характеристика НЭ – нелинейный элемент ПВ – плотность вероятности

ПСП – псевдослучайная последовательность САУ – система автоматического управления СПМ – спектральная плотность мощности ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты ФНЧ – фильтр нижних частот ФФ – формирующий фильтр

3

ВВЕДЕНИЕ

Представленные в данном методическом пособии работы обеспечивают лабораторную и практическую поддержку для основных разделов дисциплины «Радиоавтоматика», в рамках лекционного курса которой, рассмотрены вопросы устойчивости непрерывных и дискретных систем, статистической оптимизации, нелинейной фильтрации и комплексирования радиотехнических и автономных систем.

Приведена краткая инструкция для работы в среде «DesignLab 8.0», дано описание заданий для выполнения десяти работ лабораторного цикла. Содержатся сведения о принципах построения моделей устройств автоматического управления и порядке их исследования. Изложена методика проведения исследований математических моделей изучаемых в дисциплине систем.

При одновременных лекционном и лабораторном курсах рекомендуется лабораторный цикл начать с выполнения первых 3-х работ. Последовательность выполнения этих работ может быть любой. Остальные работы рекомендуются к исполнению при наличии достаточной лекционной поддержки.

Следует отметить, что выполнение работ требует различного временного ресурса, в зависимости от имеющихся у студента навыков визуального моделирования. Поэтому указанное в заданиях время выполнения работы является ориентировочным (при досрочном окончании выполнения работы рекомендуется приступать подготовке к следующей работе). Контроль оформления отчетов и их защита выполняются во временных рамках аудиторных (лабораторных/практических) занятий.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных и практических работ в дисциплине «Радиоавтоматика». Кроме основных установок обеспечения поддержки лекционного курса, дается дополнительная целевая установка – ознакомление студентов с современными методами визуального моделирования устройств радиоавтоматики на уровне принципиальной, функциональной и структурной схем.

4

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЕЙШЕЙ САУ – ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Цель работы:

1)экспериментальное определение показателей качества САУ и установление их связи со структурой и параметрами САУ;

2)приобретение навыков работы с ЛХ;

3)приобретение навыков работы с измерительной техникой.

1.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из физической модели САУ, генератора сигналов и осциллографа; позволяет исследовать переходные и частотные характеристики системы. Физическая модель САУ включает в себя неизменную часть: амплитудный дискриминатор (вычитающий элемент), электронный интегратор (усилитель с частотнозависимой отрицательной обратной связью) и изменяемую часть: четырехполюсник, структура которого задается с помощью переключателя, а параметры изменяются переменным резистором.

Передаточная функция электронного интегратора содержит усилительное звено и апериодическое звено, однако при большом коэффициенте усиления и исследовании САУ вблизи частоты среза ωСР допускается аппроксимация передаточной функции электронного интегратора вида: К/jω, где значение коэффициента К определяется параметрами частотнозависимой обратной связи.

В результате имеется возможность исследования 4-х типов САУ с передаточными функциями в разомкнутом состоянии:

Переходные характеристики наблюдаются на экране осциллографа при подаче на вход системы ступенчатого воздействия путем нажатия кнопки на макете (и ее удержании в нажатом состоянии в течение необходимого для наблюдения времени). Частотные характеристики исследуются при подаче на вход САУ сигнала от генератора. Частота сигнала устанавливается по шкале генератора, а амплитудные и фазовые соотношения исследуемых сигналов регистрируются с помощью осциллографа.

5

1.2. Задание по работе

Внимание! Предстоит выполнить большой объем работы при ограниченном временном ресурсе. Ориентировочное время выполнения: п.2 –

15мин.; п.3 – 30 мин; п.4 – 30 мин.

1.2.1Предварительные действия

1.Зарисовать (сфотографировать) схему лабораторной установки и записать номиналы ее элементов.

2.Включить питание макета и осциллографа (кнопка сверху), немного подождать.

3.На осциллографе TDS 2004В нажать кнопку «Autoset» (автоустанов-

ка).

4.С помощью ручки «Sec/Div» установить желаемую скорость разверт-

ки.

5.Нажать кнопку «CH1/Menu» и ограничить полосу видеоусилителя до

20МГц (экранная кнопка «BW Limit»). Для канала CH1 ручкой «Vertical position» установить нулевое смещение по вертикали, а ручкой «Volts/Div» – желаемое усиление канала (усиление отображается внизу экрана).

6.Повторить действия по п.5 для канала CH2.

1.2.2. Исследование переходных процессов (15 мин).

Для всех 4-х типов САУ (первые три типа САУ задаются переключателем при нулевом значении переменного резистора, 4-й тип САУ соответствует 3-й позиции переключателя при отличном от нуля значении переменного резистора) посмотреть на осциллографе и зарисовать (сфотографировать, записать на флэш-карту) экспериментальные переходные процессы. Для этого рекомендуется выполнить следующие действия:

1.Оставить для наблюдения один из каналов, соответствующий выходу САУ. Канал выключается кнопкой «CH1(или 2)/Menu». Питание внешнего генератора должно быть выключено.

2.Нажать кнопку «Trig menu» (меню синхр.), с помощью экранных кнопок выбрать источник («Source») и нарастающий наклон («Rising»). Убедится, что стрелка в правой части экрана, управляемая ручкой «Level», не выходит за пределы ожидаемого сигнала. Нажать кнопку «Single seq» (одиночный запуск) и дождаться надписи «Ready» сверху экрана. Надавить (и не отпускать до ожидаемого окончания переходного процесса) кнопку «скачок» на

6

макете САУ. Посмотреть переходный процесс (при необходимости, нажать кнопку «Acquire» (сбор данных) и соответствующей экранной кнопкой выбрать режим «Sample»). Уточнить скорость развертки, смещение по горизонтали и усиление канала.

Задачу можно решить и другим способом: дополнительно к «Single seq» нажать кнопку «Run/Stop», кнопку «скачок» и, не отпуская ее, повторить нажатие кнопки «Run/Stop».

3.Нажать кнопку «Cursor» и экранной кнопкой «Type» выбрать режим «Time». С помощью универсальной ручки (справа от экрана, наверху; светодиод рядом должен гореть) поместить курсор в начало отсчета. Нажать экранную кнопку «Cursor 2» и с помощью универсальной ручки поместить курсор в конец отсчета. Измерить время нарастания переходного процесса (см.числовые данные для курсоров, на экране справа).

4.Вставить флэшку в USB-порт на передней панели осциллографа (для экономии времени лучше использовать флэш-память небольшого объема порядка нескольких мегабайт). Дать время осциллографу на знакомство с Вашей флэш-картой. Нажать кнопку «Print» (если рядом с этой кнопкой горит светодиод). В противном случае нажать кнопку «Utility» (сервис) и, далее «Options/Printer setup» с последующими разумными действиями. Подождать до окончания записи (во время записи на экране появляется значок часов). Файл записывается в формате *.bmp и, в дальнейшем, редактируется средствами графического редактора, например, Paint.

При отсутствии флэш-карты график зарисовать вручную или сфотографировать.

5.Повторить действия по п.п.2-4 для регистрации остальных переходных процессов (всего их 4). При этом потребуется изменение настроек «Sec/Div» и «Volts/Div». Для процессов с перерегулированием необходимо дополнительно нажать кнопку «Cursor» и экранной кнопкой «Type» выбрать режим «Amplitude». Далее следует с помощью 2-х курсоров измерить величину перерегулирования. При желании, результаты измерений можно сохранить на флэш-карте.

7

1.2.3. Экспериментальное измерение частоты среза и запаса устойчивости по фазе

Выполняется для всех 4-х типов САУ; время, ориентировочно, 30 мин. Замечание. Значение fср ( ср 2 fср ) фиксируется при равенстве ам-

плитуд входного и выходного напряжений разомкнутой системы (гнезда e и y на макете). Величина фиксируется при частоте ср по относительному

смещению осциллограмм указанных напряжений (для САУ 1-го типа величина априори известна и она может использоваться в качестве «контрольной точки» эксперимента).

1.Включить питание внешнего генератора. Начальная установка частоты на генераторе SFG-2110 осуществляется цифровыми клавишами с последующим указанием размерности (Гц). Для изменения частоты используется ручка, причем шаг изменения задается кнопками под ручкой.

2.На осциллографе нажать кнопку «Autoset» и повторить действия по п. 1.1.2. (п. 4 – 6).

3.Убедиться, что к осциллографу подключены:

выход вычитающего элемента САУ,

выход САУ.

4.убедиться в равенстве коэффициентов усиления каналов CH1 и CH2 (см. внизу экрана).

5.Установить частоту внешнего генератора так, чтобы амплитуды синусоид оказались равны. С индикатора внешнего генератора снять значение частоты среза. С помощью курсоров измерить период и фазовый сдвиг (запас устойчивости) синусоид. При желании, результаты измерений можно сохранить на флэшке.

6.Повторить действия по п. 5 для остальных САУ (всего их 4). Замечание. В случае проблем с синхронизацией нажать кнопку «Trig

menu» и поменять режим («Mode»).

1.2.4. Экспериментальное измерение АЧХ САУ

Выполняется для всех 4-х типов САУ; время, ориентировочно, 30 мин. 1. К осциллографу необходимо подключить:

вход САУ (клемма «контроль»),

выход САУ.

8

2.Установить частоту внешнего генератора, равной утроенной частоте среза. С помощью курсоров измерить амплитуды сигналов на входе и выходе САУ.

Уменьшая частоту внешнего генератора (с разумным дискретом), фиксировать амплитуду сигнала на выходе САУ.

3.Повторить действия по п. 4.2 для остальных САУ (всего их 4). Внимание: АЧХ САУ с колебательными переходными процессами име-

ют резонансные пики, которые должны быть выявлены.

1.2.5.Для «шустрых» студентов

1.В соответствии с методикой, изложенной в п. 2.2, можно построить импульсную характеристику. Далее для нее можно построить БПФ (кнопка «Меню математика», кнопка «Operation/FFT», выбор канала и окна (рекомендуется прямоугольное – Rectangular)). Результат полезно сопоставить с экспериментальными АЧХ.

2.Осциллограф умеет строить фигуры Лиссажу (кнопка «Экран», кнопка «Format/XY». В этом режиме можно иначе интерпретировать результаты п.п. 1.2.3 и 1.2.4.

Выключить все приборы.

1.2.6.В уютной домашней обстановке

1.Построить асимптотические ЛХ для всех 4-х типов САУ (параметры передаточных функций должны соответствовать схеме, изображенной на макете). ЛХ всех САУ должны быть построены в одних координатных осях.

2.С помощью ЛХ определить значения частоты среза ср и запаса ус-

тойчивости по фазе и по ним воспроизвести осциллограммы переходных процессов для всех 4-х типов САУ. Сопоставить эти процессы с экспериментальными переходными процессами.

3.Записать характеристические уравнения САУ и построить распределения полюсов передаточных функций замкнутых систем на плоскости комплексной переменной.

4.Сопоставить расчетные и экспериментальные данные и сделать заключение о:

соотношениях, связывающих время нарастания tн , перерегулирование % и степень колебательности переходных процессов с пара-

метрами ср и ;

9