Структурная схема системы слежения за временным положением. Обобщенные функциональная и структурная схемы радиотехнических следящих систем

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра радиотехнических систем

РЕФЕРАТ

На тему:

«Структурная схема системы слежения за временным положением. Обобщенные функциональная и структурная схемы радиотехнических следящих систем»

МИНСК, 2008

Ошибка слежения определяется выражением

,

где - временное положение отраженного импульса на входе следящей системы; - временное положение следящего (опорного) импульса

( и измерены относительно опорного сигнала)

На вход дискриминатора подается импульсная последовательность, но так как полоса пропускания следящей системы намного уже частоты следования импульсов, анализ можно проводить как для непрерывных процессов. Напряжение на выходе дискриминатора , усредненное за период повторения импульсов, может быть представлено в виде:

где - флюктуационная составляющая;

= - дискриминационная характеристика, определяемая как зависимость среднего значения напряжения на выходе дискриминатора от рассогласования (ошибки слежения).

Форма этой характеристики определяется формой входного сигнала, полосой пропускания УПЧ, отношением сигнал-помеха на входе приемника, наличием флюктуаций сигнала и другими факторами.

При прямоугольных опорных и зондирующих сигналах дискриминационная характеристика имеет треугольную форму следующего вида (рис. 1) и формируется как разность двух взаимокорреляционных функций входного и опорного сигналов (рис.2).

Рис. 1. Дискриминационная характеристика

Рис. 2

Здесь длительность зондирующего импульса, равна длительности следящего импульса. Существует системы, в которых используется принцип укороченного строба. В этом случае опорные сигналы представляют собой короткие д-импульсы (рис. 3). При этом дискриминационная характеристика имеет вид характеристики релейного типа. Это в основном используется в цифровой технике, в аналоговой технике трудно обеспечить достаточное усиление.

Рис. 3

Напряжение с дискриминатора поступает на ФНЧ с операторным коэффициентом передачи . Напряжение на выходе ФНЧ может быть представлено в виде:

,

где .

Далее это напряжение подается на вход устройства регулируемой задержки, на выходе которого получаем:

,

где Sp - крутизна регулировочной характеристики устройства регулируемой задержки.

при Uф = 0;

- величина задержки опорного сигнала при нулевом напряжении на управляющем входе устройства регулируемой задержки.

На основании полученных уравнений можем построить следующую структурную схему (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема системы слежения за временным положением импульсного сигнала

Нетрудно показать, что напряжение на выходе ФНЧ пропорционально расстоянию до зондируемого объекта (цели), то есть рассмотренная схема выполняет функцию следящего автодальномера.

В режиме слежения цели величина ошибки слежения Дф близка к нулю, тогда:

где ф0 - задержка зондирующего сигнала передатчика относительно опорного сигнала;

D - расстояние до цели;

с - скорость распространения радиоволн;

- задержка сигнала при распространении к цели и обратно.

, т.е. ;

тогда

.

Таким образом, при известных значениях величин ф0 ,фсл0 и Sp напряжение Uф - пропорционально дальности цели.

2. Система слежения за направлением прихода радиосигнала

(Угломерная следящая система)

Угломерные следящие системы используются в системах радионавигации, радиоуправления для слежения за угловым положением источника излучаемого или отраженного радиосигнала.

Функциональная схема системы имеет вид (рис.5):

Рис. 5. Функциональная схема угломерной следящей системы:

Пр-к - приемник; ФНЧ - фильтр нижних частот; У - Усилитель; ИУ - исполнительное устройство

С помощью антенной системы формируются парциальные диаграммы направленности. РСН - равносигнальное направление; сигнал, принимаемый с этого направления двумя антеннами, имеет одинаковую интенсивность .

Местоположение источника излучения (цели) определяется двумя координатами: азимутом и углом места.

С помощью пеленгатора определяется рассогласование по углу между направлением на цель и РСН, и на выходе приемника формируется напряжение, пропорциональное величине и знаку этого рассогласования. Это напряжение, пройдя ФНЧ, который сглаживает высокочастотные составляющие, усиливается с помощью усилителя У и подается на исполнительное устройство. ИУ воздействует на антенную систему , в результате чего РСН изменяет свое положение в пространстве, уменьшая первоначальную ошибку. В качестве исполнительных устройств используются электромеханические, электронные и гироскопические ИУ.

Проведем математическое описание и составим структурную схему для слежения по одной координате. Обозначим:

-угловое положение источника радиосигнала относительно опорного направления;

- угловое положение антенны (равносигнального направления);

Тогда ошибка слежения

= - . (1)

Напряжение на выходе пеленгатора :

(2)

где ; (3)

F()- зависимость среднего значения напряжения на выходе пеленгатора от ошибки слежения (пеленгационная характеристика).

Будем полагать, что пеленгатор безынерционен.

Работу ФНЧ можно описать дифференциальным уравнением в сокращенной форме

. (4)

Далее сигнал поступает на безинерционный усилитель У, а затем на исполнительное устройство. При использовании электромеханического ИУ ( электродвигателя) его операторный коэффициент передачи определяется выражением

где К - крутизна зависимости угловой скорости вращения антенны в установившемся режиме от величины управляющего напряжения ; - электромеханическая постоянная двигателя.

Исполнительное устройство в первом приближении можно считать линейным и описать уравнением

. (5)

На основании формул (1) - (5) построим структурную схему (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема угломерной следящей системы

На практике находят применение пеленгаторы с последовательным и одновременным сравнением сигналов. К первому типу относятся пеленгаторы, использующие принцип конического сканирования и переключения диаграммы направленности. Ко второму типу - моноимпульсные, формирующие четыре парциальные диаграммы направленности (по две в каждой из плоскостей).

Принцип конического сканирования: ось диаграммы направленности смещена относительно оси вращения и таким образом диаграмма направленности образует конус. Его медиана является равносигнальным направлением (РСН). При этом огибающая принимаемого радиосигнала приобретает амплитудную модуляцию с частотой, равной частоте вращения антенны. Амплитуда огибающей определяет величину угла отклонения РСН от направления на цель, а фаза - направление отклонения.

3. Обобщенные функциональная и структурная схемы радиотехнических следящих систем

Изучение основных типов систем позволяет определить общие функции и реализующие их функциональные узлы во всех рассмотренных выше системах и составить обобщенные функциональную и структурную схемы.

Обобщенная функциональная схема приведена на рис. 8 и состоит из дискриминатора Дис., фильтра, опорного (подстраиваемого) генератора ОГ.

Рис.8. Обобщенная структурная схема радиотехнической следящей системы

На вход поступает смесь сигнала и шума

.

Одним из параметров сигнала является задающее воздействие л(t).

ОГ генерирует сигнал, одним из параметров которого является оценка отслеживающего параметра. Выходной сигнал ОГ зависит от назначения системы.

В результате нелинейного преобразования входного и опорного сигналов в дискриминаторе формируется напряжение, пропорциональное разности

,

где л - задающее воздействие; y - управляемая величина.

Напряжение на выходе дискриминатора:

,

где F(x) - зависимость среднего значения напряжения на выходе дискриминатора от ошибки слежения, называемая дискриминационной характеристикой; о(t, x) - флюктуационная составляющая (результат нелинейного преобразования опорного и входного сигналов в дискриминаторе).

Форма дискриминационной характеристики приведена на рис. 9.

Рис.9. Дискриминационная характеристика

При малых значениях ошибки слежения х дискриминационная характеристика может быть аппроксимирована линейной зависимостью:

,

где

при х=0.

Sд - крутизна, которая зависит от типа дискриминатора, отношения сигнал/шум и других факторов.

,

где Рс - мощность сигнала; у2ш - дисперсия шума.

.

Крутизна дискриминационной характеристики зависит от амплитуды сигнала. Для исключения этой зависимости на входе производят ограничение либо автоматическую регулировку усиления ( АРУ). Дискриминационная характеристика имеет ограниченный раствор по оси х. Если ошибка превышает граничную, обратная связь размыкается и система выходит из режима слежения (). Для ввода в синхронизм используется устройство ввода , обеспечивающее .

Фильтр осуществляет сглаживание высокочастотных составляющих. Он может содержать интегрирующие звенья, его передаточная функция определяет качественные характеристики системы.

Обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.

Рис. 10. Структурная схема радиотехнической следящей системы

Математический эквивалент дискриминатора включает элемент сравнения, нелинейное безинерционное звено F(x) и сумматор.

Звено W(p) определяется передаточной функцией опорного генератора и фильтра.

Характеристики составляющей шума о(t, x) зависят от параметров дискриминатора и предшествующих цепей, отношения сигнал/шум, метода нормировки сигнала и шума по амплитуде, характера амплитудных флюктуаций сигнала.

Изменение ошибки во времени описывается нелинейным стохастическим дифференциальным уравнением

х(t) + W(p)F(x) + о(t,x) - л(t) = 0.

Нелинейность уравнения определяется нелинейностью функции F(x) и нелинейной зависимостью характеристик процесса о(t,x) от ошибки слежения х . Стохастичность - наличием случайного процесса о(t,x) и случайной составляющей задающего воздействия л(t).

Если напряжение флюктуационной составляющей имеет равномерную спектральную плотность в полосе, значительно превышающей полосу пропускания следующих за дискриминатором цепей, шум о(t,x) можно считать белым и характеризовать его величиной спектральной плотности на нулевой частоте S о( w,x) = S о( o,x) , в общем случае зависящей от ошибки слежения. Зависимость спектральной плотности флюктуационной составляющей от ошибки слежения называется флюктуационной характеристикой дискриминатора.

Эквивалент дискриминатора можно существенно упростить при условии малости ошибки слежения х. При малой ошибке слежения дискриминационная характеристика линейна, а спектральную плотность флюктуационной составляющей можно принять с достаточным приближением не зависящей от ошибки слежения, то есть S о( о,x) = S о(x) , о(t,x) = о(t) . В этом случае следящая система описывается линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами, что упрощает ее анализ.

4. Системы автоматической регулировки усиления (АРУ)

Системы автоматической регулировки усиления предназначены для стабилизации уровня выходного сигнала усилителя. Необходимость в АРУ обусловлена значительным динамическим диапазоном сигнала на входе приемника (60…100дБ), что без принятия мер по стабилизации уровня сигнала привело бы к перегрузке каскадов приемника и искажению полезной амплитудной модуляции сигнала. Если на вход системы слежения поступает сигнал с таким динамическим диапазоном, то это приведет к увеличению коэффициента усиления контура и может служить причиной нарушения устойчивости.

Таким образом, система АРУ необходима для расширения динамического диапазона, чтобы избежать перегрузки каскадов и искажения амплитудной модуляции и обеспечить устойчивость следящей системы.

В качестве примера рассмотрим построение схемы АРУ с управлением по рассогласованию (рис. 11).

Рис. 11. Функциональная схема АРУ

Выходное напряжение регулируемого усилителя РУ детектируется (Дет.) и через фильтр нижних частот ФНЧ поступает на РУ в виде регулирующего напряжения Up, которое изменяет крутизну усиления активного элемента, шунтирует нагрузку или управляет аттенюатором, в конечном итоге уменьшая уровень выходного сигнала РУ при его увеличении и увеличивая при уменьшении.

Например, при использовании транзистора в качестве активного элемента Up подается на базу транзистора (рис. 12) и, изменяя его крутизну (прямую проводимость), изменяет коэффициент усиления.

Напряжение задержки Uзад используется для того, что бы повысить уровень стабилизируемого напряжения (рис. 13).

Рис.12

Рис.13. Зависимость выходного напряжения от входного:

1 - АРУ отсутствует; 2 - Uз = 0; 3 - Uз

АРУ начинает работать при превышении входным сигналом напряжения U1 порогового напряжения (UПОР). Вариант построения детектора АРУ с задержкой приведен на рис. 14.

Рис.14. Схема детектора АРУ с задержкой

С помощью делителя R1R2 формируется за напряжение Uзад, поступающее на детектор Д.

Для исследования характеристик АРУ найдем уравнения, описывающие работу функциональных узлов системы, и составим структурную схему. Зависимость коэффициента усиления усилителя от регулирующего напряжения:

, (6)

где k0 - величина коэффициента усиления при нулевом значении напряжения регулирования;

- крутизна регулировочной характеристики;

(7)

, (8)

где kд - коэффициент передачи детектора.

Первое условие выражения (8) выполняется при , второе - при .

ФНЧ характеризуется своей передаточной функцией, поэтому напряжение на выходе ФНЧ определяется выражением:

. (9)

По полученным уравнениям можно построить структурную схему (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема АРУ

Здесь

Система АРУ является нелинейной системой с переменными параметрами, что делает сложной задачей ее анализ. При оценке отдельных качественных характеристик производят соответствующие упрощения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. Ч.1. Линейные системы: Учеб. пособие.- М.: Радио и связь, 2002.

2. Первачев. С.В Радиоавтоматика: Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 2002.