Следящие системы

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

кафедра РТС

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине «Радиоавтоматика» на тему Следящие системы

 

 

 

Выполнила Курзина А. В.

группа  Р-47061

 

Проверил  Астрецов Д. В.

 

 

 

г. Екатеринбург

2010г.

 

Задание на работу

Разработать систему автосопровождения сигнала по направлению (АСН) с каноническим сканированием (КС) 1го порядка астатизма.

Постоянная времени простого инерционного звена  Т=1,2с

Отношение сигнал/шум q²_макс=12

Максимальная скорость воздействия  α₁=14̊/с

Максимальное ускоряющее воздействие  α₂=4̊/с²

Эквивалентная полоса пропускания линейной части приёмника ∆fэ=200 кГц

Граница апертуры Q=1,6̊

Переходной режим 14 ̊/с

Форма сигнала непрерывная.

 

 

Перечень разделов

 

Задание на работу 2

Введение 4

1. Общая характеристика системы, ее принцип действия, функциональная схема 5

1. Расчет основных параметров системы 8

1.1 Выбор петлевого коэффициента передачи (добротности) системы 8

2.2 Расчет системы без коррекции 9

2.3 Расчет корректирующего звена 10

2.4 Расчет системы с коррекцией 10

2.5 Расчет дисперсии ошибки слежения 11

2. Анализ срыва слежения 14

Заключение 18

Список используемой литературы 19

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 20

Система без коррекции 20

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 21

Корректирующий фильтр 21

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 23

Система с корректирующим звеном 23

 

 

 

Введение

Объектом  курсового проектирования является система радиоавтоматики (следящая радиотехническая система), осуществляющая выделение какого-либо параметра  радиотехнического сигнала с  использованием принципа обратной связи.

Перечень  исходных данных и требуемых значений показателей качества формулируются  преподавателем – руководителем  курсовой работы и может быть различным  в зависимости от концепции руководителя.

В качестве исходных данных задается тип следящей радиотехнической системы, порядок  ее астатизма, постоянная времени простого инерционного звена, полоса пропускания  радиоприемного устройства, максимальное значение отношения мощностей сигнала  и помехи на выходе линейной части  радиоприемного устройства. В качестве характеристик воздействия фигурируют максимальные значения скорости и ускорения  параметра сигнала, за которым следит система.

Целью проектирования является расчет основных параметров системы, удовлетворяющих  системе заданных показателей качества.

 

 

1. Общая характеристика системы, ее принцип действия, функциональная схема

Системы автоматического слежения за направлением прихода радиосигнала широко используются в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении  для измерения угловых координат  источника сигнала. Поэтому их часто  называют угломерными следящими  системами. Благодаря использованию  антенн с узкими диаграммами направленности рассматриваемые системы осуществляют также пространственную фильтрацию полезного сигнала на фоне мешающих сигналов, идущих из других точек пространства.

Функциональная  схема системы углового сопровождения:

В ее состав входят: пеленгационное устройство, фильтр (ФНЧ), усилитель (У) и исполнительное устройство (ИУ). Пеленгационное устройство, играющее роль углового дискриминатора, состоит из антенны и приемника, в котором проводится обработка  принятого радиосигнала. При отклонении источника сигнала (ИС) от некоторого направления РН, называемого радиосигнальным  направлением антенны, на выходе пеленгационного  устройства появляется напряжение u_д(t), зависящее от величины и знака этого отклонения. Напряжение u_д(t) далее фильтруется, усиливается и воздействует на исполнительное устройство. Исполнительное устройство изменяет положение антенны или состояние ее отдельных элементов так, что равносигнальное направление антенны смещается в пространстве и исходное угловое рассогласование между ним и направлением на источник сигнала уменьшается.

Угловое положение источника сигнала  в пространстве обычно оценивается  углами θ_и1 и θ_и2, отсчитываемыми в двух взаимно перпендикулярны плоскостях, как правило, горизонтальной (плоскости азимута) и вертикальной (плоскости угла места). В этих же плоскостях измеряется угловое рассогласование между равносигнальным направлением антенны и направлением на источник сигнала и осуществляется управление положением антенны.

Важным  звеном системы углового сопровождения  является пеленгатор. На практике находят  применение двух типов: с последовательным и с одновременным сравнением сигналов. К пеленгаторам первого  типа относятся пеленгаторы с  каноническим сканированием и с  переключением диаграммы направленности. В них используется одна антенна  и одноканальное приемное устройство, Достоинством пеленгаторов этого типа является сравнительная простота. Более  высокую точность измерения позволяют  получить пеленгаторы с одновременным  сравнением сигналов, называемые также  моноимпульсными.

  В  данной работе используется пеленгатор  с каноническим сканированием.  Этот пеленгатор является одним из вариантов пеленгатора с последовательным  сравнением сигналов. Его функциональная схема:

 

Этот  пеленгатор, являющийся одним из вариантов пеленгатора с последовательным сравнением сигналов, работает следующим образом. Двигатель (Дв) вращает с круговой частотой облучатель антенны, смещенный относительно фокальной оси, обеспечивая тем самым сканирование диаграммы направленности антенны в пространстве. Направление максимума диаграммы при сканировании образует круговой конус, ось которого является равносигнальным направлением антенны. При отклонении источника сигнала от равносигнального направления радиосигнал на выходе антенны приобретает амплитудную модуляцию с частотой сканирования. Глубина модуляции определяется величиной отклонения, а фаза - направлением отклонения.

Сигнал  с выхода антенны в приемнике  преобразуется по частоте, усиливается  в УПЧ, охваченном инерционной системой АРУ, и детектируется. Выделенная детектором Д огибающая амплитудно-модулированного радиосигнала фильтруется и усиливается в избирательном усилителе сигнала ошибки УСО, настроенном на частоту сканирования. Затем она поступает на амплитудно-фазовые детекторы АФД₁ и АФД₂ азимута и угла места, где перемножается с опорными колебаниями и , которые вырабатываются генератором опорных напряжений ГОН и синхронизированы со сканированием диаграммы направленности антенны. В результате перемножения на выходах амплитудно-фазовых детекторов формируются напряжения, пропорциональные отклонению источника сигнала от равносигнального направления по азимуту и углу места. Эти напряжения, являющиеся выходными напряжениями пеленгатора, после усиления и фильтрации используются для управления положением равносигнального направления антенны.

Достоинством  пеленгаторов этого типа является сравнительная  простота. Его недостатком, по сравнению с моноимпульсным, является меньшая точность, что обусловлено его чувствительностью к амплитудным флюктуациям сигнала и некоторыми другими факторами.

 

 

1. Расчет основных параметров системы

1.   Выбор петлевого коэффициента передачи (добротности) системы

Номинальное значение петлевого усиления Кпо  рассчитывается из условий:

1. Динамическая ошибка в стационарном режиме не превышает 5% полуапертуры;
2. Амплитуда ошибки слежения в стационарном режиме при действии эквивалентной синусоиды с заданными значениями скорости и ускорения воздействий не превышает указанных выше значений;
3. Максимальное значение ошибки в переходном режиме при скачке скорости воздействия не превышает 80% полуапертуры.

Петлевой  коэффициент выбирается из трех условий.

По первому  условию необходимо обеспечить величину динамической ошибки при воздействиях, обеспечивающих постоянное значение ошибок в стационарном режиме: ступенчатая  функция для статических систем, включение линейно или квадратично  меняющихся воздействий для систем, соответственно, с астатизмом первого  или второго порядков. Необходимые  значения коэффициентов передачи находятся  с помощью формул:

Необходимо  обеспечить, чтобы динамическая ошибка в стационарном режиме не   превышала   значения   5%   полуапертуры  дискриминатора  системы,  что  составляет:

Х_Д1=0,05·Q=0,05·1,6=0,08̊

Минимально  допустимое значение номинального коэффициента усиления определяется выражением:

К_П1=α₁/Х_Д1, К_П1=175 с^-1

Второе  условие требует выбора петлевого  усиления таким образом, чтобы амплитуда  ошибки, вызванной действием гармонического воздействия l(t), не превышала заданного значения. Амплитуда эквивалентного динамического воздействия равна:

,

с^-1,

где – производная воздействия по времени (скорость воздействия); – вторая производная (ускорение) воздействия по времени.

Комплексный коэффициент передачи системы первого  порядка астатизма в разомкнутом  состоянии выглядит следующим образом:

.

Амплитуда ошибки слежения Х_м в стационарном режиме может быть найдена из приближенного выражения:

 

Из условия, что максимальное значение ошибки в  переходном режиме не должно превышать  значения 80% полуапертуры дискриминатора системы при заданном значении скачка скорости воздействия:

Максимальное  значение ошибки слежения при ступенчатом  изменении скорости параметра l(t) приближенно равно:

При этом должно выполняться условие:   Х_макс<0,8Q

К_П>24,049.

Исходя  из этих условий выбираем:

К_П=200.

2.2 Расчет системы без коррекции

Передаточная  функция системы с астатизмом первого порядка в разомкнутом  состоянии имеет вид:

Для исследования устойчивости полученной системы, рассчитаем логарифмическую амплитудно-частотную  L(jw) и фазочастотную j(jw) характеристики:

где

Для построения воспользуемся программным продуктом  RRSystem, построенные ЛАХ и ФЧХ представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

ЛАХ системы  имеет наклон системы в области  частоты среза -20дБ/дек.

Частота среза ω_ср = 12,186 рад.

Запас устойчивости по фазе φ_зап = 4̊

Как видно, система имеет недостаточный  запас устойчивости по фазе. Для  коррекции используем последовательную цепь – пропорционально-интегрирующий  фильтр.

2.3 Расчет корректирующего звена

В числе  наиболее популярных корректирующих цепей  – пропорционально-интегрирующий  фильтр, имеющий передаточную функцию:

,

где Т₁ и Т₂ – постоянные времени.

b_с = p/2 – j_зап, примем b_с = 1 рад, тогда j_зап = 32,7̊.

→ω_ср = 17,44 рад.

Постоянная  времени форсирующего звена:

, Т₁ = 0,105 сек.

Постоянная  времени инерционного звена:

, Т₂ = 0,014 сек.

Полученные  ЛАХ и ФЧХ представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

2.4 Расчет системы с коррекцией

Передаточная  функция с корректирующим звеном:

Для исследования устойчивости полученной системы, рассчитаем логарифмическую амплитудно-частотную  L(jw) и фазочастотную j(jw) характеристики:

где

Полученные  характеристики представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 3.

Частота среза ω_ср = 17,418 рад.

Запас устойчивости по фазе φ_зап ≈ 48̊

Полученные  данные свидетельствуют об устойчивости полученной системы:

1. Частота среза находится на участке характеристики с наклоном -20дБ/дек.
2. Запас устойчивости по фазе превышает 30̊.
3. Наклон ЛАХ не превышает -40дБ/дек.
4. АФХ системы не охватывает точку (-1;0).

2.5 Расчет дисперсии ошибки слежения

Для расчета  дисперсии ошибки, вызванной действием  помех, необходимо знание статистического  эквивалента дискриминатора – его  дискриминационной и флуктуационной характеристики. Как известно, первая является зависимостью математического  ожидания напряжения на выходе дискриминатора от ошибки слежения, а вторая – зависимостью интенсивности помехи на выходе дискриминатора от ошибки слежения. В целом напряжение на выходе дискриминатора U_Д(t) имеет вид: