135

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

В.Н.Бондаренко

РАДИОАВТОМАТИКА

Конспект лекций

Красноярск

2008

Аннотация

Изложены основы теории и принципы построения автоматических систем (АС). Основное внимание уделено радиотехническим АС (системы частотной и фазовой автоподстройки и др.), широко используемым в радионавигации, радиолокации, радиосвязи, радиоуправлении и других областях радиоэлектроники.

Рассмотрены вопросы анализа и синтеза систем радиоавтоматики. Приведены примеры практического применения радиотехнических автоматических систем.

Предназначено для студентов укрупненной группы 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» направления 210300.62 «Радиотехника».

Лекция 1. Тема 1: «общая характеристика

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

План лекции

Введение

Предмет и задачи курса. Краткая история развития систем автоматического управления. Вклад отечественных учёных в развитие теории автоматического управления. Значение данной отрасли науки и техники в создании материально-технической базы России.

1.1. Основные понятия и определения.

1.2. Функциональная схема замкнутой автоматической системы.

1.3. Классификация автоматических систем.

Введение

Предмет изучения дисциплины – системы радиоавтоматики, охватывающие широкий класс автоматических систем, применяемых в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоуправлении и других областях радиоэлектроники.

Отличительной особенностью таких систем является использование радиосигналов для управления, а сами объекты управления – радиотехнические устройства (генераторы, усилители, антенны и прочее). Необходимая для управления информация содержится в том или ином параметре сигнала (амплитуде, частоте, фазе, времени запаздывания, направлении прихода) и выделяется в результате обработки сигнала.

Сходство систем радиоавтоматики (РА) с автоматическими системами другого назначения определяется, прежде всего, единством теории – теории автоматического управления, а также общностью многих элементов, из которых строятся эти системы (усилители, корректирующие и исполнительные элементы, управляющие ЭВМ и другие).

Первые системы РА – системы автоматической регулировки усиления (АРУ) – появились в 30-е годы нашего столетия. Системы АРУ широко используются в приемниках современных радиосистем самого разного назначения. Большое применение находят также системы частотной и фазовой автоподстройки частоты (АПЧ и ФАПЧ). Они используются для стабилизации промежуточной частоты приемников, в качестве демодуляторов сигналов с частотной и фазовой модуляцией, в синтезаторах частот, в следящих измерителях координат и скорости подвижных объектов. В радиолокации и радионавигации широкое применение находят системы слежения за задержкой сигнала (ССЗ), на основе которых строятся следящие измерители дальности. Кроме того, они используются в радиосвязи в качестве систем синхронизации. Еще один важный класс систем РА составляют системы слежения за направлением (ССН). Основными областями их применения являются радиолокация и радионавигация, где они используются в качестве следящих измерителей угловых координат; радиоуправление крылатыми ракетами, а также радиосвязь (наведение направленных антенн).

Широкое применение автоматических систем (АС) в радиоэлектронике можно проиллюстрировать на примере современного телевизионного приемника, который содержит системы АРУ, АПЧ гетеродина, АПЧ и АПФ генератора строчной развертки, стабилизаторы напряжения питания, системы выбора программ, дистанционного управления и другие.

Основными задачами курса являются изучение основ теории автоматического управления, принципов действия типовых систем РА, методов их анализа и синтеза.

Задача анализа формулируется следующим образом. Заданы входные воздействия: полезное – сигнал и мешающее – шум (возмущения, нестабильности). Требуется определить тот или иной показатель качества (запас устойчивости, быстродействие, точность).

Возможны два подхода к решению этой задачи: детерминированный и статистический. При первом подходе полезное и мешающее воздействия подаются детерминированными (известными функциями времени), при втором – случайными, но с известными характеристиками (корреляционными функциями, спектральными плотностями, законами распределения). В первом случае анализ проще, однако нельзя гарантировать, что в реальной системе будут те же характеристики, поскольку не учитывается статистический характер воздействий.

Обратимся теперь к задаче синтеза, которая формулируется так. Заданы входные воздействия (детерминированные или случайные). Требуется отыскать оптимальную в соответствии с некоторыми критериями качества структуру системы. В качестве критерия оптимальности систем РА наиболее часто используют критерий минимума среднего квадрата ошибки (так как ошибка случайна). Решение задачи оптимизации системы требует знание априорной (известной до приема сигнала) информации о статистических характеристиках сигнала и помех. Реально же эти характеристики всегда отличаются от тех, что были приняты при синтезе системы. Это вызывает не оптимальность системы в реальных условиях (отличие от оптимальной системы тем больше, чем сильнее отличаются расчетные и действительные характеристики).

Задачи оптимизации систем при не полностью известных априорных сведениях о сигналах и помехах носят название задач синтеза с априорной неопределенностью. Среди многих методов решения подобных задач наибольший практический интерес представляют два: адаптивный и робастный. В первом случае получают самонастраивающуюся (адаптивную) систему, меняющую свою структуру в соответствии с оценками (результатами измерений) неизвестных априори параметров. В качестве примера можно привести систему, в которой осуществляется адаптация полосы пропускания к уровню шума (чем больше шум, тем уже полоса), что обеспечивает неизменную точность (шумовая ошибка постоянна).

Другой подход (робастный) предполагает, что система нечувствительна к изменению характеристик сигнала и помех. Например, использование двустороннего ограничения сигнала позволяет устранить влияние меняющейся амплитуды сигнала на показатели системы (разумеется, если амплитуда не является информационным параметром). Качество робастной (иначе непараметрической, инвариантной) системы ниже, чем строго оптимальной при полной априорной информации, однако оно гарантируется на приемлемом уровне при любых условиях.