10.5 Структурна схема узагальненої (типової) системи радіоавтоматики

Зіставлення функціональних і структурних схем розглянутих систем радіоавтоматики показує, що вони мають багато спільного. Оскільки у всіх радіотехнічних слідкувальних системах, виробляється спостереження за тим чи іншим параметром радіосигналу. Аналогія процесів регулювання, що протікають у системах радіоавтоматики, дозволяє скласти структурну схему узагальненої радіотехнічної слідкувальної системи (рис. 10.12).

У цій схемі прийняті такі позначення: g(t) – керуючий вхідний вплив, яким є параметр радіосигналу, що відслідковується, або його відхилення від номінального значення; y(t) – керована величина або її відхилення від номінального значення; e(t) – помилка спостереження; x(t) – зрушення помилки спостереження; e₁(t) – неузгодженість або наведена помилка спостереження, рівна сумі e₁(t)+x(t); F(e₁) – дискримінаційна характеристика; (t) – флуктуаційна напруга на виході дискримінатора; (t) – внутрішні збурювання в системі ; W₁(p), W₂(p) – оператори передачі лінійної частини системи.

Рисунок 10.12 – Структурна схема типової системи радіоавтоматики

Контрольні запитання

1. У чому полягають відмінності системи ФАПЧ від системи АПЧ?

1. Які міри для підвищення завадостійкості приймаються в системах спостереження за часовим положенням сигналу?

2. Яке перетворення сигналів і за рахунок чого воно здійснюється в амплітудно-фазових детекторах кутомірної слідкувальної системи?

3. Чи є що-небудь загальне (принципове, функціональне, схемне) у розглянутих системах АПЧ, ФАПЧ, АСД, АСН?

4. Яка з розглянутих тут систем АРП має вищу точність роботи і чому?

11 Імпульсні системи радіоавтоматики

Імпульсну систему можна подати у видгляі з'єднання імпульсного елемента ІЕ і безупинної частини БЧС.

На рис.11.1,а зображена схема системи з ІЕ на вході й у колі зворотного зв'язку, а на рис.11.1,6 – схема з ІЕ в прямому колі системи. Легко помітити, що при однакових характеристиках ІЕ і БЧС ці системи ідентичні по своїх динамічних властивостях, тому що через їхні безупинні частини проходить однаковий дискретний сигнал неузгодженості ^(t). Однак простішою є друга схема, і тому застосовувати її зручніше.

Рисунок 11.1 – Схеми замкнутих імпульсних систем

Розглянемо докладніше імпульсний елемент. Він перетворить безупинний сигнал у послідовність модульованих імпульсів. Основними параметрами послідовності імпульсів є:

А – висота, або амплітуда імпульсів;

(Т – ширина, або тривалість імпульсів;

Т – відстань між імпульсами, або період повторення;

S(t) – форма імпульсу.

У залежності від виду модуляції, тобто від того, який з параметрів імпульсу змінюється у відповідності з вхідним сигналом, що модулюється, імпульсні елементи підрозділяються на елементи з АІМ, ВІМ і ШІМ.

Функція, що встановлює зв'язок між модульованим параметром і відповідними значеннями вхідної перемінної, називається статичною характеристикою імпульсного елемента. Ця характеристика може бути лінійною чи нелінійною. Імпульсний елемент із лінійною (лініаризованою) характеристикою є лінійним елементом, а з нелінійної – нелінійним.

Закон зміни визначеного параметра імпульсу, або послідовності імпульсів у часі, називається сигналом. Сигнали в імпульсних схемах описуються дискретними функціями часу.

У реальних системах зустрічаються всі перераховані вище типи імпульсних елементів. Однак розрахункові схеми автоматичних систем звичайно містять еквівалентні імпульсні елементи з АІМ. Імпульсний елемент з АІМ характеризується крутістю статичної характеристики, частотою повторення Ω чи періодом дискретності Т, тривалістю γТ і формою імпульсів.

З метою полегшення дослідження автоматичних систем їх реальні імпульсні елементи заміняють послідовним з'єднанням найпростішого імпульсного елемента ПІЕ і формуючого елемента ФЕ (рис. 11.2).

Рисунок 11.2 – Схема з'єднання найпростішого імпульсного елемента з формуючим елементом і часові діаграми сигналів

Найпростіший імпульсний елемент перетворить безупинний вхідний сигнал у короткочасні імпульси, площі яких пропорційні значенням вхідної величини в дискретні моменти часу. Ці імпульси можна подати у вигляді дельта-функції Sδ(t) з відповідними значеннями їхньої площі S. Отже, ПІЕ можна розглядати як імпульсний модулятор з несійною у вигляді послідовності одиничних імпульсів дельта-функцій (рис. 11.3).

Рисунок 11.3 – Схема найпростішого імпульсного елемента як модулятора -функції

Ця послідовність одиничних імпульсів описується виразом

. (11.1)

Таке подання імпульсного елемента є зручним з погляду математичного опису процесів. Формуючий елемент має забезпечувати одержання реальних імпульсів на виході ІЕ.

Рисунок 11.4 – Зображення ПІЕ на структурних схемах

На структурних схемах ПІЕ зображуються у вигляді прямокутника

(рис. 1.4,а) або ключа (рис.11.4,6). Надалі застосовуватимемо друге зображення.

На виході найпростішого імпульсного елемента виходить сигнал

. (11.2)

Формуючий елемент характеризується тим, що його реакція на дельта-функції збігається за своєю формою з імпульсами на виході реального імпульсного елемента. Отже, критерієм подоби реального імпульсного елемента досліджуваної системи і його розрахункової схеми (рис.11.2) є аналогічність параметрів і форми їхніх вихідних імпульсів.

Як же описати математично властивості формуючого елемента і системи в цілому? Динамічні властивості формуючого елемента будуть відомими, якщо ми знайдемо його передатну функцію.

Відомо, що реакція системи (ланки) на вплив типу дельта-функції називається імпульсною перехідною функцією, чи функцією ваги. Тому реакція формуючого елемента на дельта-функцію є його функція ваги. Вона має бути тотожною формі реального імпульсу на виході імпульсного елемента при одиничному вхідному сигналі. Виходить, форма імпульсу на виході реального імпульсного елемента S(t) є функція ваги формуючого елемента w_ф(t). Передатна функція формуючого елемента є зображенням у смислі Лапласа від функції ваги w_ф(t).

. (11.3)

Як приклад визначимо передатну функцію формуючого елемента, на виході якого імпульси повинні мати прямокутну форму, а їхня тривалість дорівнює уТ (рис.11.2). Функція ваги w_ф(t) формуючого елемента в даному випадку є прямокутним імпульсом (рис.11.5).

Її можна подати як суму двох зрушених у часі на уТ і з різними значеннями східчастих функцій:

. (11.4)

Зображення по Лапласу одиничної східчастої функції:

, (11.5)

а зображення одиничної зміщеної східчастої функції:

. (11.6)

Отже, передатна функція формуючого елемента:

. (11.7)

Рисунок 11.5 – До формування прямокутного імпульсу

Для прямокутного імпульсу, що має тривалість, рівну періоду дискретності Т, передатна функція визначається за формулою (11.7) при  = 1:

. (11.8)

Звичайно коефіцієнт підсилення імпульсного елемента відносять до формуючого елемента, вважаючи, що коефіцієнт найпростішого імпульсного елемента дорівнює одиниці. Тоді у формулах (11.7) і (11.8) з'являється співмножник k_и.

Формуючий елемент, передатна функція якого визначається виразом (11.8), називається фіксатором. Реакція фіксатора  _ф (t) на модульовану послідовність короткочасних імпульсів (-функцій) ^*(t) показана на рис. 11.6.

Як видно з рисунка, фіксатор запам'ятовує величину площі кожного короткочасного імпульсу на період дискретності Т, тобто до приходу наступного імпульсу.

На практиці часто на виходах реальних імпульсних елементів перед безупинною частиною системи застосовують фіксатори. Фіксатор, власне кажучи, є перетворювачем дискретних даних у аналогові, тому що він дозволяє приблизно вирішити задачу перетворення імпульсного сигналу ^*(t) у безупинний сигнал  _ф(t).

Рисунок 11.6 – До реакції фіксатора на короткочасні імпульси

Структурна схема імпульсного елемента з фіксатором відображає динамічні властивості особливої частини імпульсної автоматичної системи з урахуванням коефіцієнта посилення k_и і періоду повторення Т (рис.11.7).

Рисунок 11.7 – Структурна схема імпульсного елемента з фіксатором

Структурна схема імпульсної системи з одиничним зворотним зв'язком зображена на рис.11.8. Вона побудована відповідно до рис.11.7. Формуючий елемент і безупинна частина системи з'єднані послідовно й утворюють наведену безупинну частину системи БНЧ із передатною функцією:

, (11.9)

де E^*(р) – зображення сигналу ^*(t) у смислі дискретного перетворення Лапласа.

Рисунок 11.8 – Структурна схема імпульсно-безупинної автоматичної системи

Спрощена структурна схема імпульсно-безупинної системи, що включає найпростіший імпульсний елемент, БНЧ і зворотний зв'язок, цілком відображає динамічні властивості імпульсної автоматичної системи (рис.11.9).

Рисунок 11.9 – Спрощена структурна схема імпульсно-безупинної системи

Труднощі практичного порядку полягають у тому, що в системі є дискретні і безупинні сигнали, а передатна функція W(p), як видно з (11.7) і (11.8), є дискретно-безупинною функцією аргументу р. Таблиці дискретно-безупинного перетворення Лапласа поки не створені. У зв'язку з цим на практиці широке застосування одержав математичний апарат дискретного перетворення Лапласа й один з його різновидів Z-перетворення.

Перехід до дискретного перетворення Лапласа стосовно до рис.11.9 означає, що ми знаходитимемо реакцію на виході системи не у вигляді безупинної функції х_вих(t), а у виді дискретної функції х^*_вих (t). У разі потреби за допомогою модифікованого перетворення можна знайти і функцію х_вих(t) .

Контрольні запитання

1. Яке призначення в імпульсних системах радіоавтоматики імпульсного елемента?

2. Що таке статична характеристика імпульсного елемента?

3. Що таке найпростіший імпульсний елемент і формуючий елемент?

4. Як визначається передатна функція формуючого елемента?

5. Що таке приведена безупинна частина імпульсної системи радіоавтоматики?