WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Криворожский колледж Национального авиационного университета Конспект лекций по учебной дисциплине «Радиоавтоматика» Курсанта _ группы Кривой Рог 2006 Пономарев И.А., Панченко Ю.Н., Анохин

В.Ф. Конспект лекций по учебной дисциплине «Радиоавтоматика»: Учебное пособие для учебных заведений гражданской авиации I-III уровня аккредитации. – Кривой Рог: КК НАУ, 2006. – 47 с.

Рецензенты: Бакулин Е.В., Сергеев Н.Г.

Рекомендован цикловой комиссией «Радиоэлектронного оборудования наземных средств обеспечения полетов» КК НАУ для проведения лекционных занятий для специальностей 5.090.705 «Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования воздушных судов», 5.090.706 «Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования наземных средств обеспечения полетов», 6.090.700 «Радиоэлектронные устройства, системы и комплексы» протоколом №1 от 30 августа 2005 г.

ВВЕДЕНИЕ Учебная дисциплина «Радиоавтоматика» (РА) является обще-специальной. Он изучается в семестре в объеме 60 часов. Из них: 20 часов лекционных, 20 практических, 20 лабораторных работ, часов - самостоятельная работа. Основной задачей курса является подготовка курсантов к освоению специальных радиотехнических курсов, радиолокационных, радионавигационных, телевизионных систем и связных радиостанций. Изучение курса «Радиоавтоматика» должно дать курсантам знания по основам теории автоматического управления (ТАУ), по системам радиоавтоматики, применяемым в авиационном радиоэлектронном оборудовании (АРЭО), НРО (наземном радиооборудовании), РЭА (бытовой радиоэлектронной аппаратуре).

В результате изучения данной учебной дисциплины курсант должен знать: принципы построения систем радиоавтоматики, способы оценки и обеспечения необходимых показателей качества их функционирования с учетом требований по охране труда и окружающей;

среды;

уметь производить регулировку систем РА с целью достижения необходимых показателей функционирования;

знать особенности различных систем радиоавтоматики, применяемых в гражданской авиации. Базовыми дисциплинами для «радиоавтоматики» являются «высшая математика», «основы теории цепей».

Прежде чем перейти к рассмотрению РА, выясним что такое автоматика и какие задачи она решает.

В любом цивилизованном обществе автоматика приобретает особо важное значение, так как только с помощью автоматизации можно обеспечить требуемые темпы производства и создать материально техническую базу для дальнейшего развития общества. Автоматика полностью стирает грани между физическим и умственным трудом и находит широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. Её широкое внедрение во все области техники и науки стало возможным благодаря таким основным факторам, как высокий темп работы, широкий охват производства (одновременно управлять многими объектами), способность длительной работы, вредность и недоступность производства (атомная промышленность, химическая промышленность).

Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем автоматического управления (САУ) производственными процессами, заменяющих постоянное и непосредственное участие в них человека.

Автоматика как научная дисциплина исследует условия функционирования и алгоритмы управления различными технологическими процессами, изучает общие закономерности в них, разрабатывает методы синтеза и анализа автоматических систем (АС) и принципов построения автоматических управляющих устройств.

Автоматика состоит из двух частей:

- теории автоматического регулирования и управления (ТАРУ).

- технических средств построения автоматических систем.

ТАРУ - эту наука о принципах построения АС и закономерностях протекающих в них процесса.

Основной задачей этой науки состоит в построении при помощи инженерных методов оптимальных или близких к ним АС, а также в исследовании статики и динамики этих систем. Современные методы теории автоматического управления (ТАУ) позволяют выбрать рациональную структуру системы, определить оптимальные значения параметров с учетом регулярных и случайных воздействий, оценить устойчивость и показатели качества процессов управления (точность, быстродействие, помехоустойчивость, надежность).

Раздел технические средства построения АС изучает конструкцию и физические процессы, проходящие как в отдельных элементах, так и в узлах АС.

Всякая АС состоит из пяти типовых по их назначению в системе устройств или функциональных элементов:

1) задающего устройства, формирующего задающее воздействие;

2) сравнивающего элемента – устройства, формирующего сигнал рассогласования (ошибки);

3) чувствительного элемента - датчика, обеспечивающего преобразование определенной природы параметра в электрический сигнал;

4) усилительного устройства, обеспечивающего усиление входного сигнала до величины, необходимой для нормальной работы последующих устройств;

5) исполнительного устройства, служащего для воздействия на регулируемый процесс (в системах регулирования и управления) или перемещения элемента индикатора (в системах контроля).

Кроме того, для улучшения качества работы АС в их состав вводят корректирующие устройства.

Каждый функциональный элемент представляет собой более или менее сложное устройство, состоящее из одного или нескольких более простых самостоятельных устройств называемых элементами автоматики.

Например, измеритель рассогласования электромеханической следящей системы состоит из сельсина-датчика, сельсина-трансформатора, каждый из которых представляет собой самостоятельное в конструктивном отношении устройство.

Кроме классификации по назначению они делятся по принципу действия, устройству (конструкции) и по электрической схеме. Условное графическое обозначение (УГО) элемента автоматики представляет собой квадрат с указанием входа (слева) и выхода (справа), а на основном поле указывается назначение элемента или передаточная функция.

Уровень развития элементной базы автоматики определяет основные параметры АС:

быстродействие, надежность, массу, габариты, потребление энергии что хорошо просматривается после внедрения в автоматику последних достижении микроэлектроники и вычислительной техники.

В настоящее время автоматика стала техническим фундаментом другой важнейшей науки XX века – кибернетики, главную сущность которой составила всеобъемлющая теория управления живой и неживой природой. Эти науки столь же близки между собой как и различны. Обе они призваны объяснить общие законы управления процессами, происходящими в природе без непосредственного участия человека. Однако автоматика всегда распространялась, главным образом, на физическую сферу деятельности человека, на замену повторения простейших движений его тела и конечностей.

Появление же кибернетики вызвано слиянием многих до нее существовавших независимых дисциплин, каждая из которых, в свою очередь порождалась потребностями практики. К числу их можно отнести теорию информации, теорию алгоритмов, теорию автоматов.

Слово «кибернетика», которое употреблялось и раньше (от греческого слова, означающего в переводе искусство управления – «кормчий»), начали применять в современном смысле с 1948 года, когда вышла в свет книга американского ученого Норберта Винера «Кибернетика или управление и связь в животном мире и машине». Было решено назвать всю теорию управления связи в машинах и живых организмах кибернетикой. В "Энциклопедии кибернетики" о кибернетике говорится, что это наука об управлении, связи и переработке информации. Она изучает процессы управления с информационной стороны отвлекаясь от энергетических, или конструктивных характеристик реальных систем.

Основными объектами исследования в кибернетике являются так называемые кибернетические системы.

Примером таких систем могут служить нервная система живых организмов, аппарат управления в человеческом обществе, ЭВМ. В качестве основных ее разделов могут быть выделены: теория информации, теория методов управления и теория систем управления. Кибернетическая система - это искусственная система, имитирующая решение человеком сложных задач в процессе его жизнедеятельности.

Многие ученые расчленяют кибернетику на ее составные части: техническую, биологическую и социальную. Техническую кибернетику отождествляют с автоматикой, а социальные вопросы управления относят к экономической кибернетике, инженерной психологии;

отрасль биологической кибернетики называют бионикой.

Такое разветвление подсказано самой жизнью, хотя и полезно, но не должно разрушать единых законов и принципов управления формируемых кибернетикой.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИКИ Первые сведения об автоматике появились в начале нашей эры в работах древнегреческого ученого и изобретателя Герона Александрийского. Лишь почти через 2000 лет были найдены и переведены на современные европейские языки арабские списки его трудов. Ему принадлежат формулы определения площади различных геометрических фигур. Он описал прибор диоптр, который является прадедом современного теодолита. Он впервые исследовал пять типов простейших машин: рычаг, ворот, винт и блок.

Герон заложил основы автоматики. В своем труде "Пневматика" он описал ряд волшебных тодесам: двери храма сами открывались, когда над жертвенником зажигался огонь. Он придумал автомат продажи святой воды. Сконструировал шар, вращающийся силой струй пара, автоматический счетчик.

Человечество на протяжении всего своего существования стремилось создать различные.

устройства и приспособления которые облегчали бы его труд. В середине первого века развивалась "андронная" автоматика, когда, искусные механики создавали автоматы, подражающие отдельным действиям человека, эти и ранее рассмотренные автоматы не находили промышленного применения.

На рубеже 18-19 веков, в эпоху промышленного переворота в Европе, начинается новый этап развития автоматики, связанный с внедрением её в промышленность. К первым автоматическим устройствам внедренных в промышленность относятся: регулятор уровня поды парового котла И. И.

Ползунова (1765 г.), регулятор скорости паровой машины Уатта (1784 г.), системы программного управления от перфоленты ткацким станком Жаккара (1804 – 1808 гг.). В этот период начинает развиваться и ТАР.

Формируется ряд важнейших принципов автоматики: принцип регулирования по отклонению Ползунова — Уатта. В 1829 году французский механик Пониль предложил принцип регулирования по возмущению. В 1845 г. немецкие изобретатели братья Сименс осуществили принцип регулирования по производной.

Основоположником линейной ТАР является профессор И.А.Вышнеградский, указавший, что качественный регулятор может быть создан только на основе его совместного расчета с управляемым объектом. При этом Вышнеградский применил линейные уравнения динамической системы и вывел условие устойчивости динамической системы, описываемой линейным уравнением третьего порядка;

он ввел понятие об областях устойчивости на плоскости основных параметров системы;

положил начало исследования качества переходного процесса. Немаловажное значение для становления автоматики имели работы английского физика Дж. Максвелла "О регуляторах", а также устройство автомата для стабилизации полета дирижабля предложенного в 1898 г. К.Э. Циолковским - прообраз современного автопилота.

Фундаментальным вкладом в ТАУ явилась работа A.M. Ляпунова "Общая задача об устойчивости движения" (1892 г.), в которой были исследованы условия устойчивости обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих поведение АС.

Развитие и совершенствование АС потребовало теоретических исследований их режимов работы. Можно выделить три основных периода развития теории АС:

1. Детерминированных систем (конец 19 века и начало 20 века).

2. Статистической динамики (50-е годы XX в.).

3. Адаптивных систем (60- е годы XX в).

Требования практики к повышению качества работы АС и сложность выполняемых задач обусловили появление оптимальных и самонастраивающихся (адаптивных) систем, которые в процессе работы автоматически изменяют параметры или структуру.

Успешное решение ряда крупных задач теории автоматического регулирования и управления осуществлено представителями советской школы автоматики:

-А.А.Андроновым - точные методы исследования нелинейных систем;

-В.А.Бесекерским. А. А. Вороновым и др. - частотные методы исследования АС;

- В.В.Солодовниковым, В. С. Пугачевым, И. Е. Казаковым - статистическая динамика;

- Н.Н.Лузиным, Г.В.Щипаковым и др.- теория инвариантности;

- Л.С.Понтрягиным и его учениками - теория оптимального управления;

-А.А.Красовским, Г.С.Поспеловым, П.И.Чинаевым и др. - теория адаптивных (самонастраивающихся) систем.

РАДИОАВТОМАТИКА Радиоавтоматика – отрасль науки и техники, занимающаяся вопросами теории и принципов построения радиоавтоматических систем.

Радиоавтоматической системой (РАС) называется АС в которой перенос информации осуществляется с помощью радиосигналов.

Отличительной особенностью РАС, по сравнению с другими обычными АС является то, что в качестве переносчика управляющей информации используется радиосигнал в непрерывной или импульсной форме. В радиосигнале, излучаемом или переизлучаемом объектом, содержится необходимая информация, обеспечивающая работу РАС. Информацию, необходимую для работы РА, извлекают путем автоматического измерения параметров радиосигнала: амплитуды, частоты, фазы, направления и времени их прихода. РАС являются неотъемлемой частью устройств и систем радионавигации, радиолокации, радиоуправления, связи. Основными типами РАС являются: система автоматической регулировки усиления (АРУ), автоматические системы слежения за временем прихода импульсов (АСВ), система автоматического слежения за частотой сигнала (АСЧ), система автоматического слежения за направлением прихода сигнала (АСН). Такие системы используются в качестве следящих измерителей, фильтров, демодуляторов, пространственных и временных фильтров-селекторов для осуществления синхронизации в телевидении и в многоканальных системах передачи сообщений, при когерентном суммировании сигналов от нескольких источников, для стабилизации частоты генераторов и других многочисленных и многообразных задач. В состав РАС включают автоматические системы контроля наличия сигнала и соответствующего изменения режима работы изделия: перехода от режима поиска к режиму слежения или от режима ожидания к режиму активной работы.

Иногда к числу РАС относят, также конструктивно входящие в состав радиотехнических устройств, системы регулирования температуры, давления, вращения и наклона антенны, системы дистанционного управления, выбора требуемого режима работы, стабилизации плоскости обзора антенны РЛС и др. Такие системы играют важную роль в нормальной работе радиотехнического устройства.

Однако, их функционирование не связано непосредственно с обработкой радиосигнала, поэтому включение их число РАС - в значительной мере условно.

Выделение РАС в самостоятельный класс обусловлено особенностями, связанными с условиями работы в составе радиотехнических устройств и систем радиоуправления, в которых осуществляется обработка параметров радиосигнала при действии различного рода помех. Помеховые воздействия обусловлены влиянием внешней среды или возникают в самой системе. В радиоэлектронных АС они также поступают вместе с радиосигналом в виде помех (радиопомех) на входы радиоприемных устройств системы.

Надежность и качество типовых систем радиоавтоматики, входящих в состав многих средств радиоэлектронного оборудования (РЭО), во многом определяют их качественные показатели. Поэтому, изучение общих свойств РАС, методов их анализа, расчета, особенностей эксплуатации и др.

необходимы для успешного освоения радиоэлектронного оборудования.

Системы радиоавтоматики начали применяться в 1930-х годах для автоматической регулировки усиления в радиоприемниках. Развитие радиотехнических устройств, непрерывное усложнение решаемых ими задач привело не только к повышению требований к качеству работы систем радиоавтоматики, но и к их функциональному усложнению, в результате чего многие технические задачи уже не могут быть решены с помощью систем РАС базирующихся на аналоговой технике. Поэтому, в настоящее время в радиоустройствах и системах радиоуправления широко применяется цифровые системы радиоавтоматики, построенные на базе современной микроэлектроники и микропроцессорной техники.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВТОМАТИКИ Автоматика, как и любая другая наука, имеет свои понятия и термины, которые являются отражением накопленных в ней знаний. Вот почему такое значение имеет создание единой, стройной терминологии и общей классификации автоматических систем.

Рассмотрим основные понятия автоматики, касающиеся принципиальных теоретических вопросов автоматического управления. Эти понятия являются общими для автоматического управления в самых различных областях науки и техники независимо от конкретных особенностей, принципа действия и практического назначения той или иной автоматической системы.

Автоматической система управления (АСУ) (АСР - регулирования) называют совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления.

Автоматическая система (АС) - множество элементов (узлов, органов, приборов), понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность и подчиненных определенному руководящему принципу. Это строгое энциклопедическое определение АС в области науки и техники.

Самым упрощенным образом АС можно показать в виде блок-схемы:

Рис. Схема состоит из управляемого объекта и автоматического устройства управления или просто управляющего устройства (УУ).

Управляемый объект (объект управления - ОУ) - это совокупность технических средств (машин, аппаратов, устройств), которая нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для достижения поставленной цели управления. В современной технике ОУ могут быть самой различной природы. К ним относятся например, электронные генераторы, антенны радиолокационных станций, радиоприемные и радиопередающие устройства, радиостанции, летательные аппараты (самолеты, вертолеты, ракеты, космические корабли), атмосферное давление, температура, влажность и т. д. Исходя из сказанного выше объектом управления могут быть не только предметы но и состояние или среда.

Работа АС происходит под действием сигналов. Сигналом в АС называется заранее договоренное состояние или изменение параметра физической величины, отображающее информацию, которая содержится в воздействии. Обычно сигнал выражается некоторой математической функцией, например х(t), u(t), у(t), однозначно отображающий изменения во времени представляющего параметра. Физические величины объекта, которые преднамеренно изменяют или сохраняют неизменными в процессе управления, называются регулируемыми, или управляемыми величинами. Обычно регулируемые величины в той или иной степени характеризуют качественные показатели процесса управления объектом.

Воздействием в автоматике называется понятие, которое указывает на взаимодействие между частями АС или АС и внешней средой. Воздействия передаются посредством физических величин (напряжения, тока, давления воздуха, угла поворота). Количественной оценкой физической величины является его параметр - амплитуда, частота, фаза. Изменение параметра физической величины вызывает изменение воздействия.

В зависимости от выполняемых в АС задач воздействия делятся наследующие типы:

-задающее воздействие X(t) - это воздействие, вызываемое внешним сигналом и обеспечивающее реализацию цели поставленной перед AС. Оно является предписывающим и определяет цель работы АС. Это могут быть команды о запуске, остановке системы, о программе действий управляющего устройства, или изменении закона выходных величин ОУ, указания об изменении функционирования управляющего устройства.

-возмущающее воздействие g( t ) - воздействие, вызываемое мешавшими внутренними или внешними сигналами. Оно вызывает погрешности в работе АС и мешает реализации цели, стоящей перед АС.

- управляющее воздействие U(t) – воздействие, вызываемое управляющим сигналом. Оно обеспечивает изменение состояния ОУ и обеспечивает реализацию цели управления регулирования АС.

Управлямый сигнал Y(t) - это выходной сигнал АС который характеризует состояние объекта управления (регулирования), а следовательно, работу системы.

Управляющее устройство – устройство, обеспечивающее воздействие на объект управления в соответствии с заложенным в нём законом управления.

После того как мы ознакомились с понятием объекта, можно дать ответ на вопрос, что значит управлять объектом: управлять объектом - это значит вырабатывать управляющее воздействие U (t) с таким расчетом чтобы регулируемая величина Y(t) изменялась по требуемому закону с определенной точностью независимо от действия на объект внутренних внешних возмущающих воздействий g(t), (t).

Управлением в технических системах называется преднамеренное воздействие на управляемый объект, обеспечивающее достижение определенных целей.

Автоматическим управлением называется управление осуществляемое без непосредственного участия человека.

Если управляющее воздействие формируется с участием человека, то такое управление называется автоматизированным.

Соответственно и системы называются автоматическими или автоматизированными.

2. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Принцип автоматического управления определяет, как и на основе какой информации формировать управляющее воздействие в системе. Одним из основных признаков, характеризирующих принцип управления является требуемая для выработки управляющего воздействия рабочая информация, а следовательно, и конфигурация цепей передачи воздействий в системе. Выбор принципа построения АС зависит от ее назначения, характера изменения задающего воздействия и возмущающих воздействий, возможности получения необходимой информации, стабильности параметров управляемого обьекта и элементов управляющего устройства и т.п.

Несмотря на существенное разнообразие технических процессов, построение аппаратуры управления и автоматических систем основывается на ряде общих принципов управления, основные из которых следующие:

- принцип управления по возмущению;

- принцип управления по отклонению;

- принцип комбинированного управления;

- принцип адаптации.

2.1 ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ПО ОТКЛОНЕНИЮ Если в АС управляющее воздействие вырабатывается на основе информации отклонении управляемой величины от требуемого значения, то говорят, что система построена на основе принципа управления по отклонению, или принципа обратной связи. Для реализации этого принципа в управляющем устройстве необходимо осуществлять сравнение действительного значения управляемой величины с требуемым (предписанным) значением и управлять объектом в зависимости от результата этого сравнения. На рис.2. изображена функциональная схема АС с обратной связью. Управляющее воздействие в этой системе вырабатывается в зависимости от значений функции отклонения - функции разности Е(t) между требуемым X(t) и действительным У(t) значениями управляемой величины:

Рис. В рассматриваемой системе ОУ может быть техническое устройство, технологический процесс, предприятие или даже целая отрасль народного хозяйства. Его состояние характеризуется управляемой величиной Y(t). В системе АПЧ (автоматической подстройки частоты) объектом управления является генератор, управляемой величиной эго - частота;

системе АРУ - ОУ является усилитель с переменным коэффициентом усиления, а управляемой величиной - амплитуда выходного напряжения.

На вход системы управления по отклонению (рис. 2) поступает задающее воздействие X(t). Задачей системы является установление равенства между задающим воздействием и управляемой величиной Y(t) Х(t). Информация об Y(t) извлекается ЧЭ (чувствительным элементом) и поступает на измеритель рассогласования СЭ (сравнивающий элемент). При отклонении управляемой величины от задающего воздействия возникает рассогласование (ошибка) Е(t) = X(t) - Y(t). Это рассогласование определяется СЭ и подается на преобразовательно-усилителный элемент (ПУЭ), который формирует управляющий сигнал U(t). Под воздействием управляющего сигнала ОУ изменяет управляемую величину так, что рассогласование уменьшается. Таким образом, характерным признаком АС, построенных па основе принципа управления по отклонению, является наличие в них ООС. Это приводит к образованию в таких системах замкнутого контура управления состоящего из УУ и ОУ.

В АС с обратной связью можно реализовать различные законы изменения управляемой (регулируемой) величины: стабилизацию, программное изменение, слежение. В частности замкнутые системы решают задачи умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, воспроизведения сложных функций т. п.

Принцип управления по отклонению является универсальным и эффективным, поскольку он позволяет управлять неустойчивыми объектами, а также осуществлять требуемый закон управления и изменения управляемой величины с допустимой точностью независимо от того, какими причинами вызывается отклонение управляемой величины от заданного значения.

2.2 ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ПО ВОЗМУЩЕНИЮ Принцип управления по возмущению или принцип компенсации возмущений состоит в том, что управляющее воздействие в системе вырабатывается в зависимости от результатов измерений возмущения, действующего на объект управления. Системы, построенные по этому принципу, работают по разомкнутой цепи, т. е. не имеют обратной связи. Системы с разомкнутой цепью воздействий разделяют на две группы:

системы компенсации и системы программного управления.

В АС с компенсацией возмущений (рис. 3) на ОУ воздействует возмущающее воздействие g(t), изменяющее регулируемую величину у(t). Это возмущение измеряется специальным устройством У1.

Полученный сигнал усиливается и преобразуется, если это необходимо, в другой части УУ - У2.

Следовательно, управляющее воздействие является функцией возмущающего воздействия: U=F(g).

Рис. Величина и знак управляющего воздействия должны быть такими, чтобы полностью или в значительной степени компенсировать влияние возмущающего воздействия на объект.

Таким образом АС с разомкнутой цепью воздействий называются такие системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от задающего или возмущающего, а в общем случае - в функции обоих воздействий одновременно:

U(t) = f (x,y).

В настоящее время принцип управления по возмущению широко применяется, потому что он позволяет уменьшить погрешности АС, вызываемые как задающим так и возмущающим воздействиями. Его основное достоинство высокое быстродействие цепей компенсации, так как система реагирует непосредственно на причину, а не на следствие. Однако этот принцип имеет и недостатки. Основное из них избирательность: не всегда возможно измерить и учесть все возмущения. Обычно учитывается действие лишь одного или нескольких наиболее существенных возмущений, которые измеряются управляющим устройством.

Системы программного управления (рис.4) также распространены в технике. Они применяются в схемах дистанционного управления самолетного оборудования, в станках с программным управлением. В этих системах программа хранится в запоминающих устройствах и в цифровом виде поступает на исполнительные устройства обеспечивая определенный закон изменения управляемой величины.

Рис. Следовательно, разомкнутыми системами программного управления называются такие системы в которых управляющее воздействие вырабатывается в зависимости от закона изменения задающего воздействия (программы). При этом в большинстве случаев возникает необходимость в применении принципа компенсации возмущения.

2.3 ПРИНЦИП КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ Современные АС высокой точности строят на основе принципа комбинированного управления, сочетающего в себе принципы управления по отклонению и по возмущению.

Рис. При этом в АС комбинированного управления наряду с замкнутыми контурами, образуемыми обратными отрицательными связями, имеются цепи компенсации основного возмущающего воздействия g (t) (рис.5) или дополнительную цепь компенсации ошибок от задающего воздействия X(t) (рис.6). В первом случае управляющее воздействие U = F(Е, g), а во втором – U = F(Е,g, x).

Рис. Действие неучтенных возмущений в комбинационных системах компенсируется или ослабляется контуром управления по отклонению. Точность работы комбинированных систем выше точности систем, использующих только один из принципов управления. Причем, недостатки обоих принципов при их объединении в основном устраняются.

2.4 ПРИНЦИП АДАПТАЦИИ Рассмотренные принципы автоматического управления долгое время были единственными. Успешное развитие кибернетики позволило применять в АС новый принцип управления - адаптации (приспособления).

Отличительные особенности этого принципа поясним па примере самонастраивающейся АС (рис.7), которая состоит из основной системы и дополнительных устройств. Основная система построена на основе принципа управления по отклонению и включает объект управления (ОУ) и автоматическое управляющее устройство (УУ).

Рис. На ее вход вместе с полезным сигналом х(t) поступает помеха g(t). Спектральные плотности этих функций могут изменяться в процессе работы системы. Кроме внешних возмущений g (t), на ОУ действует параметрическое возмущение, при этом динамические характеристики управляемого объекта изменяются в широких пределах. В таких сложных условиях работы система должна обладать способностью настройки своего основного УУ.

Для достижения требуемых показателей качества процесса управления к основной системе подключены следующие дополнительные устройства, образующие контур самонастройки:

- устройство анализа входного сигнала (УАС) оценивает свойства входного сигнала, например скорость и ускорение изменения задающего воздействия Х(t), а также определяет спектральную плотность помехи g(t) или отношение сигнал/шум. Такой анализ необходим для выбора критерия оптимальности системы;

- устройство анализа объекта (УАО) предназначено для оценки изменений динамических характеристик ОУ. Если, например, под воздействием параметрического возмущения х(t) коэффициент передачи объекта (Woy) изменяется, то это изменение можно оценить количественно на основе анализа функций и U(t) и Y(t);

- вычислительное устройство (ВУ) определяет способ изменения характеристики основного управляющего устройства (параметров, структуры или закона управления) на основе заложенных в нем критериев оптимальности системы и информации, получаемой от устройства анализа сигнала и объекта;

- исполнительное устройство контура самонастройки (ИУ) выполняет функцию настройки управляющего устройства в соответствии с сигналами, получаемыми от вычислительного устройства.

Воздействие самонастройки V является функцией многих переменных: V = F(x, y, u, g, t...).

Таким образом, работу контура самонастройки можно представить как процесс автоматической настройки управляющего устройства основной системы по совокупности текущей информации об изменяющихся условиях работы для достижения поставленной цели управления.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Существует много признаков классификации, в соответствии с которыми автоматические системы разбиваются на отдельные типы (классы). Рассмотрим следующие:

-по назначению – система автоматического контроля (САК), система автоматического управления (САУ), система автоматического регулирования (САР);

-по наличию или отсутствию обратной связи (ОС). АС с наличием ОС называется замкнутой, а без нее - разомкнутой ;

-по режиму работы АС делятся на: системы стабилизации в которых выходной сигнал является постоянным (например, системы автоматической стабилизации частоты и напряжения);

системы программного управления в которых выходной сигнал является известной функцией (например система управления антенной РЛС (радиолокационной станции) в режиме поиска;

следящие системы, в которых выходной сигнал является произвольным (например, система дистанционного управления настройкой приемника на сельсинах и, системах автоматического сопровождения цели РЛС);

-по характеру используемых сигналов: непрерывного действия (аналоговые) и дискретного действия, импульсные и цифровые - прерывистые, системы;

-по принципу управления: по отклонению (рассогласованию), возмущению, комбинированного управления, адаптивные (самонастраивающиеся);

-по виду управляемой величины: системы автоматического сопровождения по направлению движущихся объектов (АСН), системы автоматического сопровождения по дальности движущихся объектов (АСД), системы автоматической подстройки частоты (АПЧ);

-по виду параметра сигнала используемого в качестве задающего воздействия: напряжение, частота, фаза, временное положение, направление прихода радиосигнала.

-по виду уравнений, описывающих процессы в системах, различают линейные и нелинейные системы.

4. ОБОБЩЕНЫЕ ТИПОВЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В соответствии с классификацией АС по назначению они делятся на системы автоматического контроля, управления и регулирования (САК, САУ, САР). Функциональные схемы этих систем называются обобщенными. Так как они остаются неизменными несмотря на:

- область науки, техники, отрасли народного хозяйства, где они применяются;

- тип управляющего воздействия используемый в схеме (радиосигнал, оптический, акустический, механический, термический, гидравлический, гигроскопический и др);

- тип элементов, используемых для построения и принцип и работы.

Рассмотрим назначение, состав, назначение используемых элементов этих систем.

4.1 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ (САК) Служит для контроля параметров различных объектов и тем самым определять их состояние. В состав схемы входят следующие элементы (рис. 8. Структурная схема САК):

Рис. -ЧЭ - чувствительный элемент - датчик, обеспечивающий преобразование контролируемого параметра в электрический сигнал - управляющее воздействие;

-УЭ - усилительный элемент - служит для усиления слабых сигналов ЧЭ до уровня достаточного для нормальной работы последующих элементов;

-ИЭ - индикаторный элемент - устройство, преобразующее управляющее, воздействие в визуально воспринимаемую информацию о состоянии объекта контроля ;

-ЗЭ - задающий элемент - датчик, позволяющий фиксировать особые состояния объекта контроля;

-ИОС - индикатор особых состояний объекта контроля устройство, сигнализирующее об особых состояниях объекта контроля.

Принцип работы схемы. Источником задающего воздействия х(t) в данной системе является объект контроля. Им может быть: электронный генератор, электрический двигатель, антенна, объём топлива, давление. Задающее воздействие может характеризоваться любой физической величиной: частота, фаза, амплитуда, длительность импульса, период, угол поворота, линейное или угловое перемещение и т.д., которая определяет состояние объекта контроля. Задающее воздействие х(t), определяющее состояние ОК поступает на чувствительный элемент. Это специальный датчик, преобразующий параметр объекта контроля в электрический сигнал: термопара, термистор, тахометр, частотный или фазовый дискриминатор, фотоэлемент, потенциометр, сельсин, вращающийся трансформатор. Сигнал U(у) - управляющее воздействие может быть малой величины и не обеспечивает нормальную работу АС, поэтому он усиливается в УЭ. После усиления U (у) поступает на измерительный элемент - ИЭ. Его шкала проградуирована в значениях контролируемого параметра, значение которого позволяет судить о состоянии ОК.

В отдельных случаях САК может быть дополнена ЗЭ и ИОС. Это позволяет фиксировать особые, состояния объекта контроля например: остаток топлива на борту самолета или ленты на катушке, угловое положение антенны РЛС или АРК, прием стерео - информации и др.

Рассмотренная САК является пассивной и разомкнутой. Разомкнутой из за отсутствия ОС, а пассивной потому что отсутствует воздействие на объект контроля 4.2 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ) Назначение системы определяется ее названием - управление объектом. Необходимость применения такой системы может быть обусловлено многими причинами, а именно: технологическими, производственными, конструктивными, экономическими, техники безопасности и др. (комфорта). Частным случаем САУ являются системы дистанционного управления различными радиотехническими изделиями и системами: магнитофон, РЛС, АРЕ, РВ-5, ДИСС, КУРС-МП, АС УВД, СО-72, телевизор, видеомагнитофон и др. В состав САУ (Рис. 9) входят:

Рис 9. Структурная схема САУ -ЗУ - задающее устройство - служит для формирования задающего воздействия х (t). Функции задающего устройства могут выполнять: потенциометры, переключатели, кнопки, сельсины, вращающиеся трансформаторы и др.;

-ЧЭ - чувствительный элемент. (Смотри САК);

-УУ - усилительное, устройство - тоже что и УЭ;

-ИУ - исполнительное устройство. Служит для преобразования управляющего сигнала в физическую величину удобную для воздействия на исполнительный орган. Последний выполняет требуемую команду и воздействует на объект управления. ИУ, в зависимости от типа САУ, обеспечивают изменение частоты, фазы высокочастотных колебаний, временного положения импульсов, перемещения оптической антенной системы. В качестве ИУ могут использоваться: электродвигатели, варикапы, цифровые синтезаторы частоты (ЦСЧ) и др.

-ОУ - объектами управления в системах автоматики и радиоавтоматики являются: усилители радиочастоты, управляемые генераторы (гетеродины, активные фильтры устройства временной задержки, антенны, согласующие устройства антенн).

Принцип работы САУ происходит следующим образом: ЗУ формирует задающее воздействие х(t) которое при помощи ЧЭ преобразуется в электрический сигнал до уровня достаточного для нормальной работы ИУ. Последнее, воздействует на ОУ и обеспечивает установку его параметра у(t) (например частоту) в соответствии с задающим воздействием х(t) ЗУ.

В отдельных случаях (например, для увеличения скорости действия САУ) в качестве ЗУ применяют программирующее устройство - ПУ, обеспечивающее управление ОУ по предварительно составленной программе.

Рассмотренная САУ является разомкнутой и в ней не предоставляется возможности оценить результат воздействия системы на ОУ без применения специальных средств. Такая система должна обладать высокой точностью, высокой надежностью, помехоустойчивостью. Примером таких являются системы дистанционного управления радиостанциями, антеннами РЛС и др.

Для устранения вышеуказанных недостатков разомкнутых САУ применяют замкнутые САУ (рис. 10). Из рисунка видно, что замкнутая САУ отличается от разомкнутой наличием сравнивающего элемента и элемента ОС.

Рис.10.

В качестве ЗУ и ЭОС (элемента ОС) могут использоваться переменные сопротивления, а если они будут образовывать мостовую потенциометрическую схему, то это будет сравнивающее устройство (СУ).

Принцип работы данной схемы заключается в следующем. Если схема не отработала заданное значение X(t) т. е. У(t) не равно Х(t), то появляется управляющее воздействие U(у) на выходе СУ. ИУ под действием Uy начинает управлять ОУ и ЭОС, изменяя их параметры, до тех пор, пока U(t) на выходе СУ будет равным нулю Uy = 0, а у(t) = х(t). Это значит что ОУ отработал заданное значение его параметра. Схема установилась в новое согласованное состояние. Примером такого вида САУ является системы дистанционного управления, выполненные на сельсинах, потенциометрах, вращающихся трансформаторах.

4.3 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Система автоматического регулирования (САР) является наиболее общей и совершенной системой автоматики. Применяется большое разнообразие САР, отличающихся принципом действия, конструкцией элементов, областью использования и т.п. Однако все эти САР могут быть представлены в виде функциональной схемы, показанной на рис. 11.

Главной особенностью любой САР является то что:

- это замкнутая АС;

- она состоит из двух частей: системы автоматического контроля (ОР-ЧЭ-УЭ-СЭ) и системы автоматического управления (ЗУ-СЭ-УЭ-ИЭ-ОР).

Назначение каждого элемента CAР ясно из рассмотренных ранее схем САК и САУ.

Рис. Теперь остановимся на принципе работы САР.

При включении системы на входы СЭ поступают дна сигнала: задающее воздействие х(t) и регулируемый параметр у(t). На выходе сравнивающего элемента образуется разностный сигнал (сигнал ошибки) е(t) указывающий на сколько действующее значение регулируемого параметра ОР у(t) отличается от заданного х(t). Если у(t) = х(t) то е (t) = 0 т.е. система отработала заданное значение регулируемой величины. Если у(t) не равно х(t) то и е(t) не равен 0, а ее знак Uy будет таким, что ИЭ будет увеличивать регулируемый параметр y(t), если х(t) > у(t). И уменьшать у(t) если х(t) < у(t). Процесс в системе будет продолжаться до момента, когда у(t) = х(t) и е(t)=0.

В САР осуществляется управление объектом при отклонении его параметра от заданного значения т.е.

САР является разновидностью замкнутой САУ.

Примером CAP является система автоматической подстройки частоты (АПЧ) РЛС или следящая схема ДИССа или подстройка частоты гетеродина телевизионного, вещательного радиоприемников и др.

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Для исследования процессов в АС необходимо произвести представление их (описание) в той или иной математической форме.

Любую АС можно представить в виде совокупности элементов взаимодействующих и соединенных между собой определенным образом. Для описания процессов в АС необходимо математически описать процессы каждого элемента системы и связь между элементами и внешней средой. В этом случае анализируются те стороны поведения элемента, которые характеризуют ее участие в процессе управления.

Основной формой математического описания элементов и АС в автоматике есть дифференциальные уравнения или уравнения в конечных разностях. Переменными в этих уравнениях являются так называемые входные (переменные) величины, которые описывают внешние воздействия, и выходные величины, которые описывают реакцию элемента или АС на эти воздействия. Выходные величины можно рассматривать как непосредственно наблюдаемые на выходе, так и ненаблюдаемые, но те которые отражают внутреннее состояние АС. При математическом описании возможны определенные сокращения, однако в целом математические описания элементов при возможных потерях количества должны правильно отражать наиболее характерные качественные показатели (черты) процессов, происходящих в элементах, или, как говорят в ТАР - свойства динамики элементов. В ТАР применяются термины: динамическая система, уравнение динамики элемента или системы, динамические характеристики (свойства) элемента или системы. Своим происхождением они обязаны тому, что движение материальных тел под действием, приложенных сил изучается динамикой, а первые автоматические регуляторы применялись в механических системах. Часто применяется термин «уравнение движения элемента или системы». В механике термин «Движение» означает изменение с течением времени положения тела в пространстве. В автоматике он трактуется более широко и означает какие либо изменения состояния или свойств (характеристик) элемента с течением времени, что согласуется с традиционным пониманием движения диалектикой как изменения вообще.

Элементы автоматики характеризуются их назначением, принципом действия, устройством (конструкцией) и электрической схемой. Каждый элемент автоматики характеризуется его входной и выходной величинами (рис. 12). Например, входной величиной исполнительного двигателя является напряжение, подводимое к его обмотке управления, а выходной величиной - скорость вращения его ротора и т.д.

Математическое выражение, связывающее выходную величину элемента автоматики с его входной величиной определяет собой тип звена к которому относится данный элемент. При этом различают два случая: 1) когда зависимость выходной величины элемента от входной соответствует установившемуся режиму;

2) когда эта зависимость соответствует неустановившемуся (переходному) режиму. В первом случае зависимость "выход-вход" есть статическая характеристика элемента, во втором случае – динамическая характеристика элемента.

Рис. Статические характеристики элемента описываются алгебраическим уравнением.

Рис. По виду статической характеристики элементы автоматики подразделяются на дне группы - линейные и нелинейные звенья.

Статическая характеристика линейного звена имеет вид Х2 = k Х1, где k - коэффициент передачи * линейною звена.

Статическая характеристика нелинейного звена и общем случае имеет вид X2 = f(Xl).

На рис.13 представлены типовые характеристики (статические) звеньев:

а - характеристика линейного эвена;

б-ж - характеристики нелинейных звеньев;

б - характеристика звена с насыщением;

в - характеристика звена с зоной нечувствительности;

г - характеристика звена с насыщением и зоной нечувствительности;

д - характеристика звена релейного действия:

е - характеристика звена релейного действия с зоной нечувствительности;

ж - типовая дискриминационная характеристика.

Важно отметить, что статические характеристики звеньев замкнутых AC являются нечетными функциями, т.е. обладают свойствами f(-х) = - f(x). Физически это означает, что с изменением знака входной величины звена изменяется знак выходной величины, что принципиально необходимо для функционирования замкнутых АС.

Динамическая характеристика элемента (звена) автоматики определяется дифференциальным уравнением, описывающим динамические процессы в этом элементе. Например, используемый в АС RС фильтр нижних частот описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Уравнением такого же типа Тд = д + а описывается процесс изменения скорости вращения ротора электродвигателя, под действием приложенного к двигателю управляющего напряжения Uy. Поэтому RC-фильтр нижних частот и электрический двигатель обладают аналогичными динамическими характеристиками и относятся к одной и той же группе динамических звеньев.

При однозначном соответствии между реализациями входной и выходной величин динамический элемент называют детерминированным.

В зависимости от характера динамических процессов и соответственно от вида уравнений, описывающих эти процессы, звенья и системы разделяют на следующие группы:

-системы линейные и нелинейные;

-системы стационарные и нестационарные;

-системы с распределенными и сосредоточенными параметрами;

-системы с запаздыванием;

-системы непрерывного и дискретного действия.

Звенья, непрерывным изменениям входной величины которых соответствуют непрерывные изменения выходной величины, называют звеньями непрерывного действия. Процессы в таких системах (звеньях) описываются дифференциальными уравнениями. В звеньях дискретного действия непрерывным изменениям входного сигнала соответствует дискретные, скачкообразные изменения его выходной величины. Динамические процессы в звеньях дискретного действия описываются разностными уравнениями. АС состоящие лишь из звеньев непрерывного действия, являются системами непрерывного действия. Процессы в них описываются дифференциальными уравнениями. Если в составе АС имеется хотя бы одно звено дискретного действия, то система становится дискретной и процессы в ней описываются разностным уравнением.

Звенья, процессы в которых описываются линейными (алгебраическими, дифференциальными или разностными) уравнениями, называются линейными звеньями. Звенья процессы в которых описываются нелинейными уравнениями, называются нелинейными звеньями. АС в состав которых входят лишь линейные звенья, являются линейными системами, процессы и них описываются линейными уравнениями.

АС, содержащая хотя бы одно нелинейное звено является нелинейной системой и описывается дифференциальным или разностным уравнением.

Устройства (элементы) АС характеризуются некоторыми величинами, влияющими на динамические процессы в этих устройствах и в системах в целом. Например, усилитель напряжения характеризуется коэффициентом усиления. Кроме того, если коллекторная нагрузка транзисторного усилителя имеет индуктивный характер, то помимо коэффициента усиления существенное влияние на процессы в усилителе оказывает постоянная времени усилителя, равная отношению индуктивности нагрузки к активному сопротивления коллекторной цепи усилителя. Такие величины называют параметрами устройства. Стационарные системы описываются уравнениями с постоянными коэффициентами, нестационарные – с переменными.

Системы с распределенными параметрами это АС с элементами типа длинных линий, волноводов и т.п. Описываются ДУ в частных производной. Методы решения уравнений каждого класса АС и методы их исследования различны. Установление принадлежности исследуемой АС к тому или иному классу позволяет выбрать адекватный метод анализа или синтеза этой системы.

6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ТИПОВЫХ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ При классификации систем радиоавтоматики по виду управляемой величины - можно выделить три основных типа систем радиоавтоматики: системы автоматического сопровождения но дальности движущихся объектов (АСД), системы автоматического сопровождения но направлению движущихся объектов (АСН) и системы автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Применение таких систем радиоавтоматики позволяет решать ряд задач. Так, система АСН осуществляет автоматическое измерение угловых координат движущегося объекта и одновременно пространственную селекцию этого объекта по угловым, координатам.

Системы АСД является устройством селекции по дальности движущихся объектов и в то же время устройством измерения расстояния до этого объекта.

Еще более разнообразны функции систем управления частотой генераторов. Такие системы используются в качестве следящих доплеровских измерителей скорости движущихся объектов, а также в качестве устройств частотной селекции этих объектов. Кроме того, системы ЧАП и ФАП широко применяются для подстройки частоты гетеродина в супергетеродинных радиолокационных приемных устройствах, для управления частотой гетеродина в устройствах следящего приема частотно - модулированных сигналов.

6.1 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ (АСН) ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Положение движущихся объектов (ДО) в какой либо системе координат определяется расстоянием Д от начала координат до этого объекта и направлением из начала координат на этот объект:

Рис. Направление на объект определяется двумя угловыми координатами: азимутом и углом места.

Азимутом объекта называют угол в горизонтальной (азимутальной) плоскости между прямой, соединяющей начало координат с проекцией объекта на эту плоскость, и координатной осью.

Углом места объекта называют угол в вертикальной плоскости (угломерной) между прямой, соединяющей начало координат с проекцией объекта на плоскость, и прямой, проходящей через начало координат и объект.

Измерение угловых координат движущихся объектов осуществляется системой АСН. Система АСН (рис.17, Б) - это система радиоавтоматики, состоящая из приемопередающего устройства, антенны направленного действия А и двухканального следящего привода этой антенны, посредством которого осуществляется поворот антенны в двух плоскостях- азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной).

Таким образом, система АСН состоит из двух следящих систем, в каждой из которых входной величиной является соответствующая угловая координата (азимут или угол места) движущегося объекта, а выходной величиной - угол, определяющий положение равносигнального направления (РСН) в азимутальной или угломестной плоскости. Обычно такие радиотехнические системы работают в импульсном режиме т. е. излучают в пространство короткие (~ 1мкс и менее ) радиоимпульсы с частотой повторения 102 – 104 имп/с. При этом антенна работает на прием и на передачу: посредством антенного переключателя она подключается поочередно то к передатчику, то к приемнику.

Антенна системы АСН является антенной направленного действия. Из теории антенн известно, что если перед излучателем электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты поместить параболический отражатель, размеры которого превышают длину волны этих колебаний, то излученная электромагнитная энергия будет распространятся лишь в узкой конусообразной области пространства, симметричной относительно электрической оси антенны. При этом интенсивность излучения внутри этой области зависит от направления излучения: по мере удаления от электрической оси антенны интенсивность излучения падает.

Зависимость относительной интенсивности излучения от направления характеризуется диаграммой направленности антенны. Плоская диаграмма направленности, показанная на рис. 15, характеризует распределение интенсивности излучения () в плоскости, проходящей через электрическую ось антенны.

Максимум излучения соответствует направлению электрической оси антенны. Кроме того, диаграмма направленности антенны устанавливает зависимость коэффициента усиления антенны (при работе ее на приём) от направления прихода сигнала, отраженного от цели.

Антенна направленного действия совместно с приемопередатчиком образует угловой дискриминатор (УД) системы АСН. При этом внутри диаграммы направленности формируется равносигнальное направление, обладающее тем свойством, что при совпадении его с направлением на объект напряжение на выходе дискриминатора равно нулю. Если же равносигнальное направление не совпадает с направлением на объект, т.е.

если возникает угловое рассогласование е(t), то на выходе дискриминатора появляется напряжение ошибки, пропорциональное рассогласованию Ug = Kgp E, где Kgp - коэффициент передачи радиотехнического * углового дискриминатора.

Рис. На рис. 16 приведена функциональная схема одной из следящих систем образующих систему АСН, состоящая из измерителя рассогласования или углового дискриминатора УД, усилительного устройства У и исполнительного двигателя ИД с редуктором Р. Объектом управления ОУ является следящая антенна А системы АСН. Кроме того, для получения требуемых динамических характеристик следящей системы в ее состав введено корректирующее устройство (звено) КУ. Оно состоит из тахометрического моста, вырабатывающего напряжение, пропорциональное скорости вращения ротора исполнительного двигателя и дифференцирующей цепи, и представляет собой цепь гибкой обратной связи - связи по ускорению, охватывающей усилитель и исполнительный двигатель следящей системы.

Рис. 16. Функциональная схема следящей системы в составе АСН Возникающее в результате движения объекта рассогласование е(t) преобразуется угловым дискриминатором в напряжение ошибки Ug(t), которое поступает на вход усилителя следящей системы.

Выходное напряжение усилителями подводится к цепи управления исполнительного двигателя. Под действием этого напряжения ротор двигателя начинает вращаться с угловой скоростью y(t) и через редуктор поворачивает антенну в соответствующей плоскости в сторону уменьшения рассогласования.

Для обеспечения поворота антенны в двух плоскостях выходные оси двигателей азимутальной и угломерной следящих систем соединены с антенной посредством карданного подвеса. Если с неподвижным основанием антенны совместить систему координат, то угловое положение антенны относительно этого основания определит азимут объекта в горизонтальной плоскости и угол места объекта и вертикальной плоскости.

Заметим, что исполнительный двигатель с редуктором совместно со следящей антенной представляет собой неизменяемую часть АСН с заданными динамическими характеристиками. Эти характеристики должны быть учтены при разработке управляющего устройства - усилителя с корректирующими цепями - для получения требуемых динамических характеристик всей системы. Поэтому в качестве объекта управления системы АСН целесообразно рассматривать не одну антенну, а антенну и исполнительный двигатель с редуктором, как единое целое (в динамическом отношении). При этом динамические свойства антенны, характеризуемые ее моментом инерции относительно выходной оси следящей системы, учитывают при расчете постоянной времени исполнительного двигателя.

6.2 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ПО ДАЛЬНОСТИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Система АСД предназначена для осуществления пространственно-временной селекции по дальности объекта с одновременным измерением расстояния от пункта наблюдения до объекта. Принцип действия радиотехнического измерителя дальности основан на конечной скорости распространения в пространстве электромагнитных колебаний.

Пусть объект 0' находится на расстоянии Д от местоположения радиолокационной станции (РЛС). Через равные промежутки времени Т, т. е. моменты tk = k * T (k =1, 2, …n), где Т - период следования импульсов, РЛС излучает в пространство короткие (tи = 10-6с = 1мкс) зондирующие радиоимпульсы.

Радиоимпульсы распространяясь в пространстве доходят до объекта и, отразившись от него, принимаются приемником РЛС в моменты времени tк = tк + tд, где tд - время распространения электромагнитных колебаний от РЛС до объекта и обратно. Измерив интервал времени между моментами излучения зондирующих импульсов и приёма отраженных радиоимпульсов, определяют дальность до объекта D = C * tD/2.

Рис. 17.

Ввиду возможного нахождения в зоне действия РЛС, нескольких объектов, во избежание приема отраженных сигналов от этих объектов приёмник в процессе работы РЛС большую часть времени "закрыт" для приема сигналов и открывается специальным селекторным импульсом лишь к моменту прихода импульса отраженного от выбранного объекта, на время, равное удвоенной длительности зондирующего импульса.

Селекторный импульс вырабатывается специальным устройством (временным модулятором) причем момент tс возникновения селекторного импульса обеспечивается специальной следящей системой автоматического сопровождения по дальности (АСД) движущегося объекта:

Рис. 18. Функциональная схема системы АСД Система АСД состоит из временного дискриминатора ВД, управляющего устройства УУ и временного модулятора ВМ. Входной величиной системы АСД является интервал времени tд между моментом излучения зондирующего импульса и моментом приема отраженного от объекта сопровождения импульса, выходной - интервал времени tc между моментом излучения зондирующего импульса и моментом выработки селекторного импульса.

Вследствие движения объекта дальность D и соответственно интервал времени tD изменяются во времени, в связи с чем возникает рассогласование tc = tD - tc между положениями на временной оси отраженного, и селекторного импульсов. Для обнаружения этого рассогласования и преобразования его в пропорциональное значение постоянного напряжения служит временной дискриминатор. Напряжение Uд с выхода дискриминатора поступает на вход управляющего устройства, которое вырабатывает напряжение Uу функционально зависящее от Uд и управляющее работой временного модулятора. Временной модулятор, являющийся объектом управления системы АСД, представляет собой устройство управляемой временной задержки. Он вырабатывает селекторный импульс с задержкой на время относительно момента излучения зондирующего импульса, определяемую напряжением, которое воздействует на устройство задержки. Таким образом сводится к нулю рассогласование tc = tc. В результате радиолокационный приемник открывается для приема сигналов лишь к моменту прихода импульса, отряженного от выбранного объекта сопровождения, на время, определяемое длительностью этого импульса. Тем самым обеспечивается пространственно - временная селекция движущегося объекта по дальности. При этом временной интервал tc между моментом излучения зондирующего импульса и моментом выработки селекторного импульса пропорционален дальности D объекта сопровождения, благодаря чему осуществляется измерение дальности.

6.3 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ Достаточно широкий круг задач, решаемый с помощью систем АПЧ, может быть сведен к следующей задаче: осуществить автоматическое управление частотой генератора гармонических колебаний так, чтобы частота fг этих колебаний с точностью до постоянного слагаемого f0 была равна частоте fc колебаний на входе некоторого радиотехнического устройства. Или, другими словами, чтобы разностная частота fp = fc - fг называемая обычно промежуточной, имела заданное значение f0.

В такой постановке задачи входной величиной (задающим воздействием) системы АПЧ, как замкнутой автоматической системы, является частота входного сигнала, а выходной управляемой величиной - частота колебаний генератора fг (рис.19).

В состав системы АПЧ входят: смеситель СМ, усилитель промежуточной частоты УПЧ, дискриминатор Д (частотный или фазовый в зависимости от системы АПЧ), исполнительное устройство ИУ и управляемый гетеродин УГ.

Рис. 19. Функциональная схема системы АПЧ Смеситель - это устройство с двумя входами. На один вход поступает входной сигнал с частотой fc, а на другой - колебания управляемого гетеродина с частотой fг. Нa выходе смесителя выделяются колебания с частотой, равной разности частот колебаний на его входах, т.е. колебания с промежуточной частотой fp = fc - fг, которые усиливаются УПЧ. Колебания промежуточной частоты поступают на вход дискриминатора, в котором тем или иным методом фиксируется требуемое значение промежуточной частоты. При отклонении частоты fp от заданного ее значения f0, т.е. при fp = f0 – fp 0 на выходе дискриминатора создается постоянное напряжение ошибки УД, зависящее от рассогласования fp. Это напряжение подается на вход исполнительного устройства, которое вырабатывает напряжение Uy изменяющее частоту fг колебаний гетеродина таким образом, чтобы свести рассогласование fp к нулю. При этом имеем fp = f0 – (fс - fг) = или fг = fс - f0 т.е. частота колебаний управляемого генератора с точностью до постоянного слагаемого f0 равна частоте fc входного сигнала радиотехнической системы.

Системы АПЧ подразделяют на системы частотной автоподстройки (ЧАП) и на системы фазовой автоподстройки (ФАП). В системах ЧАП в качестве измерительного элемента частотного рассогласования fр применяется частотный дискриминатор ЧД, выходное напряжение которого пропорционально этому рассогласованию, т.е. Uд = КЧД fр, где КЧД - коэффициент передачи частотного дискриминатора.

* Рис. 20.

В системах ФАП измерителем частотного рассогласования служит фазовый дискриминатор ФД, выходное напряжение которого пропорционально разности фаз р между выходными колебаниями смесителя и опорным напряжением фазового дискриминатора, имеющим частоту f0, т.е. Ug = КФД * р, где КФД -- коэффициент передачи фазового дискриминатора. В этом случае система АПЧ сводит фазовое рассогласование между напряжением промежуточной частоты и опорным напряжением к постоянному значению.

Но тем самым сводится к нулю и постоянное рассогласование этих напряжений, так как разность фаз двух гармонических колебаний может быть постоянной (в частности равной нулю) лишь при равенстве частот этих колебаний.

7. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ 7.1 ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ПД) Применяются для преобразования угловых или линейных перемещений в электрический сигнал.

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, который может включаться как по схеме реостата, так и по схеме потенциометра. В зависимости от конструкции и функционального закона, связывающего выходной сигнал датчика с перемещением движка различают следующие типы датчиков:

линейные, функциональные, многооборотные и т.д.

1. Линейные ПД - датчики, у которых величина выходного напряжения Uвых изменяется по линейному закону от величины входного сигнала (величины линейного перемещения или углового перемещения движка потенциометра). Сопротивление, на которое нагружен датчик (сопротивление нагрузки Rн) оказывает шунтирующее действие на R0, что приводит к изменению величины выходного напряжения по нелинейному закону. Чтобы нелинейность характеристики была незначительной, следует выбирать Rн больше R0 более чем в 20 раз.

Рис. 21 Линейный датчик и его потенциометрическая характеристика На практике часто используют потенциометрические датчики с выводом от средней точки. Это позволяет получить выходное напряжение, полярность которого определяется направлением поворота (перемещения) оси потенциометра относительно среднего положения.

Рис. 22 Двухконтактный линейный потенциометрический датчик и его характеристика 2. Функциональные ПД - датчики, у которых величина выходного напряжения изменяется по нелинейному (как правило, определенному математическому закону: синусоидальному, тангенциальному и т.д.) от величины перемещения ползунка потенциометра. Могут применятся ФП, имеющее тригонометрическую, степенную или логарифмическую зависимость, что позволяет их использовать в качестве вычислительных элементов в аналоговых ВМ.

Существует несколько способов получения функциональных зависимостей. Например, изменяя частоту каркаса потенциометра по требуемому закону или путем шунтирования кольцевого потенциометра резисторами и т.д.

Получение синусно-косинусных зависимостей с помощью шунтирования линейного кольцевого потенциометра резисторами показано на рис. Рис. 23 Способы получения функциональной зависимости Рис. 24 Функциональный синусно-косинусный потенциометр Синусная и косинусная зависимости получаются благодаря кусочно-линейной аппроксимации, т.е.

получения функциональной зависимости с определенной степенью приближения, когда нелинейная зави симость получается из отрезков линейной зависимости. Шунтирующие сопротивления подобраны таким образом, что выходное напряжение Uвых от угла поворота оси потенциометра будет иметь синусоидальную зависимость. Чем больше зашунтированных участков кольцевого потенциометра, тем точнее аппроксимация, т.е ближе полученная зависимость к идеальной.

7.2 ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ (ЭДУ) ЭДУ служит для управления объектами на расстоянии.

Рис. 25 Потенциометрическая система ЭДУ В состав схемы входят:

• ЗП - задающий потенциометр. Выполняет функции задающего и чувствительного элемента;

• СП- следящий потенциометр. Выполняет функции элемента обратной связи и преобразователя механических перемещении в электрический сигнал;

• СЭ - сравнивающий элемент. Он состоит из ЗП и СП;

• усилитель рассогласований;

• исполнительный элемент (э/двигатель) • ОУ • МОС- механическая обратная связь.

Система располагается в двух блоках: ПУ и блока объекта управления. Связь между ними осуществляется линиями связи.

Работа схемы.

Схема имеет два состояния:

- согласованное состояние;

- динамика (управление).

Согласованное состояние. Подвижные контакты ЗП и СП находятся на одинаковых уровнях, что обеспечивает равенство напряжений на их выходах. Относительно выхода СД эти напряжения включены встречно, поэтому выходное напряжение СЭ равно нулю. Исполнительное устройство не получает управляющего сигнала и не меняет состояния объекта управления. Таких состояний в схеме много, а на рисунке показано только три: 00*, 11*, 22*.

Динамика. Ручкой "частота" установим подвижный контакт ЗП в положение 1. Выходное напряжение ЗП будет больше напряжения, снимаемого с подвижного контакта СП. Выходное напряжение СЭ (точки СД) будет положительным и ИУ б идет изменять параметры ОУ во одну сторону (по часовой стрелке). Одновременно посредством МОС подвижный контакт ЗП будет перемещаться в направлении точки 11и при достижении этого положения схема установится в новое согласованное состояние. Если ручку "частота" установить в положение 2, то ИУ будет управлять ОУ в обратном направлении (против часовой стрелки), а подвижный контакт СП будет перемещаться к точке 2* до момента достижения схемой нового согласованного состояния.

Потенциометрическая система ЭДУ широко применяется в РЭО ВС. Существуют разновидности данной системы, когда вместо плавной настройки применяется ступенчатая с использованием реле.

7.3 ЁМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ЕД представляют собой конденсаторы переменной емкости, величина которой зависит от значения входного параметра. Чаще всего в качестве датчиков использует плоскопараллельные и цилиндрические конденсаторы. Как известно, емкость конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и от диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.

Емкостной датчик, применяемый в топливомерах использует последнее свойство конденсатора:

диэлектрическая проницаемость топлива в 5-7 раз больше, чем у воздуха. Поэтому при уменьшении топлива в баке, уменьшается его количество между трубами датчика, а следовательно уменьшается емкость.

Простейшим ёмкостным датчиком является воздушный конденсатор. При изменении угла поворота изменяется емкость конденсатора.

К основным преимуществам ёмкостных датчиков следует отнести большую чувствительность, малые размеры и массу, простоту, отсутствие подвижных контактов, безинерционность.

7.4 ТАХОГЕНЕРАТОРЫ Нашли наибольшее применение из всех индукционных датчиков и предназначены для измерения угловой скорости. Они выполнены в виде генератора постоянного или переменного тока небольшой мощности (1 - 100 Вт).

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному исполнению являются коллекторной машиной, работающей в генераторном режиме. Выходное напряжение, создаваемое при вращении якоря, пропорционально частоте вращения якоря. Линейная зависимость между Uвых и частотой вращения нарушается при уменьшении сопротивления нагрузки, поэтому оно должно быть достаточно большим. Тахогенераторы постоянного тока имеют значительные погрешности, обусловленные температурой, нестабильностью и щеточными контактами.

Рис. 26 Тахогенератор переменного тока Из тахогенераторов переменного тока нашли применение асинхронные генераторы -маломощные двухфазные асинхронные двигатели с полым тонкостенным ротором и двумя обмотками на статоре - возбуждения и генераторной. Обмотку возбуждения подключают к сети, а генераторную - к усилителю или измерительной схеме. Асинхронные генераторы просты, надежны, более быстродейственны.

7.5 ВРАЩАЮЩИЕСЯ ТРАНСФОРМАТОРЫ (ВТ) ВТ представляют собой асинхронную машину с фазным ротором, предназначенную для преобразования угла поворота в напряжение выхода. ВТ используются при выполнении математических операций, главным образом над тригонометрическими величинами, а также используются как датчики угловых перемещений.

Рис. 27 Вращающийся трансформатор и графики зависимости выходных напряжений от угла поворота Как на статоре, так и на роторе располагаются по две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 (рис.

27) Внешне и конструктивно ВТ напоминают сельсины и также подразделяются на контактные и бесконтактные.

На одну из статорных или роторных обмоток подаётся напряжение питания и её называют обмоткой возбуждения. Она является как бы первичной обмоткой вращающегося трансформатора. В частности обмотка возбуждения может быть подключена к бортсети переменного тока 400 Гц. На других (вторичных) обмотках ВТ будет наводиться э.д.с., величина которой определяется угловым положением обмотки возбуждения относительно вторичных обмоток.

7.6 СИНУСО-КОСИНУСНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР (СКТВ) СКТВ используется для получения синусной и косинусной зависимостей величины выходного напряжения от угла поворота ротора, а так же для разложения вектора на составляющие или определения результирующего вектора по двум составляющим векторам (рис. 28).

Принцип действия. Под действием напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения, через неё проходит ток, который создаёт магнитный поток, величина которого пропорциональна величине подаваемого напряжения. Этот поток направлен вдоль оси обмотки, и пронизывает вторичные "синусную" и "косинусную" обмотки, создавая в них э.д.с., величина которой определяется углом сцепления магнитного потока с витками вторичных обмоток. В обмотке, витки которой расположены перпендикулярно магнитному потоку, магнитный поток возбуждения наводит максимальную по величине э.д.с., а в другой обмотке, витки в которой параллельны потоку, э.д.с. отсутствует. При повороте ротора на 45, магнитный поток будет пронизывать витки обоих вторичных обмоток под углом 45, поэтому э.д.с. в них будут равны.

При повороте ротора ещё на 45, э.д.с. изменится по величине и т.д.

Таким образом, величина э.д.с. в одной обмотке будет изменяться по синусоидальному закону от угла поворота ротора ВТ, а в другой - по косинусоидальному закону.

Основные свойства ВТ:

- форма сигнала на вторичных (синусной и косинусной) обмотках соответствует форме сигнала подаваемого на первичную обмотку (обмотку возбуждения);

- амплитуда (величина) сигнала на одной вторичной обмотке изменяется по синусному закону с частотой вращения ротора ВТ, а в другой - косинусному.

Роль компенсационной обмотки: другая первичная обмотка, на которую не подаётся напряжение возбуждения, называется компенсационной, т.к. она используется для компенсации поперечных магнитных потоков, которые создаются за счет протекания через вторичные обмотки токов нaгpузки и нарушающих тригонометрические зависимости напряжений на выходе ВТ от угла поворота ротора. Уменьшение поперечного потока достигается симметрированием трансформатора - сопротивление обоих роторных цепей должны быть равны друг другу. Уменьшение поперечного потока достигается путём замыкания компенсационной обмотки накоротко или через небольшое сопротивление. Уменьшение погрешности ВТ также достигается симметрированием трансформатора.

Рис. 28 Схемы первичного (а) и вторичного (б) симметрирования синусно-косинусных трансформаторов 7.7 СЕЛЬСИНЫ Сельсин - это индукционная машина переменного тока небольшой мощности, по конструкции сходная с электрическими машинами переменного тока.

Сельсин состоит из статора и ротора. Обмотка возбуждения, на которую подаётся переменное напряжение может располагаться как на статоре, так и на роторе. Трёхфазные обмотки соединены в звезду, причем магнитные оси обмоток сдвинуты между собой на 120. Если обмотка возбуждения выполняется трёхфазной и располагается на статоре, то ротор делают явно выраженным и на нём размещают однофазную обмотку, которую присоединяют к двум коллекторным кольцам. Сельсин первого типа имеет большие размеры, но отличается более высокой точностью балансировки ротора. Сельсин второго типа меньше по размерам, но имеет дисбаланс.

Рис. 29 Контактный сельсин Контактные сельсины имеют существенный недостаток – трение, испытываемое ротором в контактных кольцах, что снижает точность работы и вызывает искрение. Существуют сельсины, у которых нет подвижных контактов – они называются бесконтактными.

У таких сельсинов обе обмотки (однофазная и трехфазная) наматываются на статоре, а связь между ними осуществляется через ротор, который наискось пересекается слоем немагнитного материала - магнитной "изоляцией". Обмотка однофазная и трехфазная, расположены перпендикулярно друг к другу и связи между ними нет. Связь может осуществляться только через, общий магнитопровод - ротор. Витки обмотки возбуждёния лежат в плоскости, перпендикулярной оси ротора, охватывая его. Создаваемый током обмотки возбуждения переменный магнитный поток стремится замкнуться по цепи с наименьшим магнитным сопротивлением. Внутри статора поток возбуждения при данном положении ротора лежит в плоскости, перпендикулярной слою магнитной изоляции и проводит через ось. При повороте ротора изменяется взаимное положение потока возбуждения и фазных обмоток, так как изменяет направление магнитный поток, что равносильно повороту однофазной обмотки относительно трехфазной обмотки.

Рис. 30 Бесконтактный сельсин Рис. 31 Закон изменения э.д.с. в каждой из трехфазных обмоток при повороте ротора на Принцип работы сельсина.

Переменный ток, протекающий через обмотку возбуждения, создает магнитный поток, который пульсирует с частотой напряжения питания и направлен вдоль оси обмотки возбуждения. Этот поток пронизывает трехфазные обмотки и индуцирует в них э.д.с. с соответствующей частотой и фазой. Так как обмотки расположены под углом 120 то фазы этих, э.д.с. тоже будут сдвинуты на 120 относительно друг друга.

При повороте ротора изменится угол, под которым пронизываются трехфазные обмотки, а, следовательно, изменится амплитуда э.д.с., индуцируемая в фазных обмотках.

Применение сельсинов в оборудовании ВС Сельсин, как правило, используется в системе, которая состоит из двух и более сельсинов.

Сельсинные системы могут работать в двух режимах: трансформаторном и индикаторном.

Такие индукционные самосинхронизирующиеся системы могут передавать на расстояние угол поворота или обеспечить синхронное вращение нескольким не связанным механически между собой валам.

Трансформаторный режим работы сельсинов применяется при использовании в качестве датчиков угла рассогласования следящих систем.

В этом режиме напряжение питания подается только на сельсин-датчик (СД), а с сельсин - трансформатора (СТ) снимается напряжение, величина и фаза которого определяется взаимным расположением роторов СД и СТ, и которые по сути являются напряжением рассогласования системы.

Переменный ток, протекающий через обмотку возбуждения, создаёт магнитный поток, который пульсирует с частотой напряжения возбуждения и направлен вдоль оси обмотки возбуждения. Поток возбуждения пронизывает фазные обмотки и индуцирует в них три э.д.с, амплитуды и фазы которых зависят от угла между осью соответствующей фазной обмотки и направлением потока. Поэтому при вращении ротора будет вращаться поток возбуждения, а, следовательно, будут изменяться амплитуды, индуцируемые в фазных обмотках. А после поворота обмотки через магнитную нейтраль, измениться и начальная фаза э.д.с. Т.к. каждая фазная обмотка СД нагружена на соответствующую фазную обмотку СТ, под действием наводимых в СД э.д.с. по фазным обмоткам СД и СТ будут протекать токи. Токи в свою очередь будут создавать в фазных обмотках магнитные потоки, направленные вдоль осей своих обмоток. Эти потоки суммируются и образуют результирующий магнитный поток, величина которого будет постоянной и пропорциональной величине потока возбуждения, а направление совпадает с направлением потока возбуждения. Причем этот результирующий поток направлен навстречу результирующему потоку в СД. Т.о.

результирующий поток в СT вращается синхронно и синфазно с вращением ротора СД. Этот поток будет пронизывать однофазную обмотку СТ и наводить на ней э.д.с., величина (амплитуда) которой зависит от угла поворота СД, а начальная фаза - от направления поворота ротора СД относительно магнитной нейтрали. Это свойство позволяет использовать сельсинную систему в трансформаторном режиме и схеме синхронно-следящего привода.

Синхронно-следящий привод применяется, для дистанционной передачи угла поворота на расстояние.

Рис. 32 Синхронно-следящий привод (система ЭДУ на сельсинах) Вручную поворачивается ротор СД на заданный угол. Согласно выше изложенному, в роторной обмотке СТ создается э.д.с., амплитуда которой зависит от величины угла поворота ротора СД, а фаза - от направления поворота. Это напряжение рассогласования или сигнала ошибки подается для усиления до требуемого уровня на усилитель. После усиления сигнал ошибки подается на управляющую обмотку двухфазного асинхронного двигателя, ротор которого начнет вращаться в направлении заданном ротором СД, т.к. фаза сигнала ошибки определяется направлением поворота ротора СД. Ротор двигателя будет синфазно и синхронно вращать ротор СТ и объект управления (ОУ) до тех пор, пока ротор СТ и ОУ не будут повернуты на заданный угол.

Как только ротор СТ займет такое положение как и ротор СД, на роторе СТ э.д.с. наводится не будет - сигнал ошибки станет равен нулю и двигатель остановится в заданном положении.

Индикаторный режим работы сельсинов применяется для дистанционной передачи угла поворота или вращения от одного вала к другому без применения каких либо других устройств (в частности, усилителя и двигателя). Такая передача вращения возможна при незначительной нагрузке (малой механической нагрузке) на валу сельсин - приёмника. Обмотки обоих сельсинов должны быть запитаны, поэтому однофазные обмотки СД и СП включается в бортовую сеть 400 Гц, а фазные или обмотки синхронизации соединяются между собой через линию связи.

При одинаковом расположении роторных обмоток СД и СП (сельсина –приемника), относительно своих фазных (синхронизирующих) обмоток, э.д.с. наводимые в трехфазных обмотках СД и СП равны по величине, но противоположны по фазе. Они взаимно уравновешиваются и токи в фазных обмотках отсутствуют, поэтому система находится в устойчивом (согласованном) состоянии. При повороте ротора СД на заданный угол, э.д.с. в фазных обмотках СД изменяется по величине и не будут равны соответствующим э.д.с. в фазных обмотках СП. Под действием разности э.д.с. в фазных обмотках потекут уравнительные токи.

Уравнительные токи, взаимодействуя с пульсирующим магнитным потоком возбуждения, создают вращающий момент, под действием которого роторы СД и СП стремятся занять одинаковое взаимное положение:

-ротор СП повернуться на угол заданный ротором СД;

-ротор СД вернуться в прежнее положение.

Рис. 33 Синхронная индикаторная передача Если ротор СД механически удерживается, то он не может поворачиваться и будет поворачиваться ротор СП. Как только ротор СП займет положение синхронное и, синфазное ротору СД положение, э.д.с. в обмотках СД и СП сравняются и исчезнут уравнительные токи, а, следовательно, исчезнет синхронизирующий момент и ротор СП не будет поворачиваться, система установится в согласованное состояние. Следует отметить, что вращающий момент или синхронизирующий момент пропорционален синусу угла рассогласования.

Реакция, которую оказывает СП на ротор СД, является существенной, что является недостатком индикаторной сельсинной системы.

В зависимости от величины ошибки сельсины делятся на 4 класса:

1 класс - ошибка до 0,75;

2 класс - от 0,75 до 1,5;

3 класс - от 1,5 до 2,5;

4 класс - от 2,5 до 5.

7.8 УСИЛИТЕЛИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Классификация, особенности усилителей АС В АС усилители увеличивают мощность входного сигнала, т.к. сигналы датчиков, как правило, имеют недостаточную для работы исполнительных элементов мощность.

Усилители должны иметь посторонний источник энергии. В зависимости от вида энергии усилители подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические.

На практике наиболее широко применяются электрические усилители, т.к. они отличаются высокой чувствительностью, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными элементами (электро двигателями, электромагнитами и т.д.).

В зависимости от физического принципа, положенного в основу процесса усиления, электрические усилители подразделяются на электронные, магнитные, электромеханические, диэлектрические и др. Основными особенностями работы электрических усилителей являются:

- очень широкий диапазон изменения входных сигналов;

- достаточное быстродействие (малая величина постоянной времени);

- чувствительность к полярности и фазе входного сигнала.

В данном курсе рассматриваются только магнитные усилители.

7.8.1 МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, в котором используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины постоянного подмагничивающего поля, создаваемого или изменяемого входным сигналом.

Следует отметить, что в МУ помимо усиления сигнала происходит преобразование сигнала постоянного тока в переменный.

К достоинству МУ следует отнести высокую надежность и долговечность, способность выдерживать как электрические, так и механические перегрузки, высокую помехоустойчивость и т.д.

Недостатками МУ являются большая масса, инерционность и нелинейные искажения входного сигнала.

7.8.2 ПРОСТЕЙШИЙ МУ представляет собой ферромагнитный сердечник прямоугольной или тороидальной формы, на котором намотаны две обмотки: управляющая и нагрузочная. Нагрузка включена последовательно с нагрузочной обмоткой и источником переменного напряжения. На управляющую обмотку подается сигнал постоянного тока, который необходимо усилить.

В исходном режиме (напряжение на входе равно нулю) ток во входной цепи отсутствует и сердечник не намагничен, поэтому его магнитная проницаемость для переменного тока максимальная. Следовательно, индуктивность обмотки, намотанной на сердечник максимальная, т.е. её сопротивление переменному току будет максимальным. Под действием источника переменного тока в выходной цепи будет проходить переменный ток, величина которого будет минимальной, т.к. сопротивление нагрузочной обмотки максимальное.

При подаче на управляющую обмотку входного сигнала, через нее будет проходить ток, величина которого пропорциональна амплитуде Рис. 34 Простейший МУ входного сигнала. Под действием этого тока в управляющей обмотке возникает магнитный поток, который пронизывает сердечник и намагничивает его. Магнитная проницаемость сердечника уменьшается, а, следовательно, уменьшается сопротивление нагрузочной обмотки, что приводит к возрастанию тока в выходной цепи. Таким образом, амплитуда переменного тока в нагрузочной цепи изменяется по закону изменения входного сигнала. Если число витков управляющей обмотки сделать во много раз числа витков в нагрузочной обмотке, то даже небольшой ток во входной обмотке создает большое подмагничивание сердечника, что приводит к существенному изменению тока в выходной цепи, т.е. возникает эффект усиления по току. На примере простейшего МУ мы рассмотрели принцип работы МУ, но практического применения он не нашел, т.к. он имеет ряд и недостатков:

1. Переменный магнитный поток создаваемый нагрузочной обмоткой индуцирует переменную э.д.с. в управляющей обмотке, что искажает входной сигнал и снижает к.п.д. усилителя.

2. Нагрузочная характеристика МУ симметричная, а, следовательно, нереверсивная, поэтому при изменении знака (полярности) входного сигнала знак (фаза) выходного сигнала не изменяется.

3. Наличие тока холостого хода, т.е. ток на выходе существует при отсутствии тока на входе, что снижает к.п.д. усилителя.

От первого существенного недостатка свободен однотактный МУ.

7.8.3 ОДНОТАКТНЫЙ МУ Для компенсации временной э.д.с. в управляющей обмотке, возникающей за счет переменного сигнала в выходной цепи (нагрузочной обмотке), используют два одинаковых сердечника, а нагрузочная обмотка состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых наматывается на отдельном сердечнике таким образом, чтобы переменные э.д.с. пронизывали сердечник в противофазе. При условии, что переменные э.д.с. противоположны по фазе они взаимокомпенсируются, т.е. на управляющей обмотке результирующее напряжение создаваемое двумя противоположно направленными потоками будет равно нулю. В остальном принцип работы однотактного усилителя аналогичен работе простейшего МУ.

Для устранения второго недостатка в однотактном МУ вводят смещение. Однотактный МУ со смещением (рис. 35) отличается от обычного тем, что дополнительно рядом с обмоткой управления наматывают обмотку смещения, на которую подается напряжение смещения от дополнительного источника постоянного тока. Под действием напряжения смещения через обмотку смещения проходит постоянный ток, который создаёт в ней подмагничивающий магнитный поток смещения. Подмагничивание сердечника в исходном режиме приводит к смещению нагрузочной характеристики влево или вправо, в зависимости от направления потока смещения, т.е. направления тока смещения. Величина смещения зависит от тока сме щения и, как правило, может изменяться. В результате смещения, МУ по-разному реагирует на знак (полярность) входного сигнала, т.к. подмагничивание сердечника будет пропорционально сумме или разности напряжённостей магнитных полей, создаваемых управляющей обмоткой и обмоткой смещения:

Нрез<>Нсм ± Ну.

Изменяя ток смещения, можно выбрать рабочую точку посередине линейного участка характеристики. Одновременно это увеличивает чувствительность усилителя к малым сигналам, т.к.

крутизна характеристике в рабочей зоне максимальная. Т.о., в однотактном усилителе со смещением, при изменении знака (полярности) входного сигнала, изменяется направление изменения амплитуды переменного, тока нагрузки, хотя фаза выходного сигнала не изменяется, что не решает полностью задачу.

Кроме того, такая мера понижает к.п.д. усилителя. От всех этих недостатков свободен двухтактный МУ.

Рис. 35 Однотактный МУ 7.8.4 ДВУХТАКТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МУ нашел наибольшее практическое применение, т.к. имеет реверсивную нагрузочную характеристику проходящую через начало координат, а, следовательно, у него отсутствует ток холостого хода.

Двухтактный МУ состоит из двух однотактных МУ (двух плеч), которые соединены таким образом, что через их общую нагрузку токи этих плеч проходят встречно, а управляющий сигнал является общим для обоих плеч. Обмотки смещения включены так, что создаваемые ими потоками подмагничивания противоположны по направлению. Обмотки управления включены последовательно, так что создаваемое ими подмагничивание сердечника имеет одинаковое направление. В результате этого, в одном плече потоки смещения и управления будут складываться: Нрез = Ну + Нсм, а в другом – вычитаться: Нрез = Ну - Нсм.

Индуктивность нагрузочной обмотки в одном плече будет уменьшаться, а в другом увеличиваться.

Соответственно, ток в одном плече увеличивается, а в другом - уменьшается. При смене полярности входного сигнала - все наоборот. Т.о. фаза тока нагрузки будет определяться тем, ток какого плеча больше, а величина (амплитуда) тока на выходе пропорциональна величине тока на выходе. Подбор (балансировкой) токов смещения обоих плеч, при отсутствии входного тока, добиваются равенства токов нагрузки обоих плеч, т.е. отсутствия результирующего тока нагрузки - тока холостого хода.

Рис. 36 Двухтактный МУ Результирующая нагрузочная характеристика получается путём суммирования нагрузочных характеристик обоих плеч МУ.

Такие усилители используются для усиления управляющих сигналов, подаваемых на двухфазные асинхронные двигатели. Например, в схеме управления наклоном отражателя РЛС "Гроза".

7.9 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА АС Электрические двигатели постоянного тока широко применяются в устройствах автоматики в качестве исполнительных элементов, преобразующих электрический сигнал в механическую величину (вращающий момент). Достоинством электродвигателей постоянного тока являются большой вращающий момент при сравнительно небольших габаритах двигателя, широкий диапазон регулирования частоты вращения. В то же время они имеют ряд существенный недостатков - механический и электрический износ коллектора и щеток и в связи с этим невысокие надежность, долговечность и необходимость постоянного ухода за коллектором и щетками, большие помехи в радиоаппаратуре вследствие искрения, большой момент инерции якоря и сравнительно большая постоянная времени.

Электродвигатели переменного тока. В устройствах автоматики чаще применяются асинхронные двигатели. Однофазные двигатели имеют небольшую мощность и используются главным образом в устройствах нерегулируемого электропривода. Трёхфазные используется чаще всего в устройствах регулируемого привода. У них сравнительно легко изменяется частота вращения и момент вращения, что позволяет их использовать в устройствах регулируемого электропривода с мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. В быстродействующих устройствах регулируемого электропривода применяют двигатели с полым немагнитным ротором, что позволяет получить минимальный момент инерции ротора.

Изменение направления вращения ротора двигателя (реверс) осуществляется изменением фазы одного из питающих напряжений на 180. Вращающий момент ротора двигателя зависит от напряжений на управляющей и сетевой обмотках и синуса угла сдвига между ними, что позволяет регулировать частоту вращения.

Вопросы тестов по предмету «Радиоавтоматика» Тест №1 (темы 1 – 3) Отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем автоматического управления (САУ) производственными процессами, заменяющих постоянное и непосредственное участие в них человека называется Наука о принципах построения АС и закономерностях протекающих в них процессов. Основной задачей этой науки состоит в построении при помощи инженерных методов оптимальных или близких к ним АС, а также в исследовании статики и динамики этих систем. Это определение соответствует понятию Раздел автоматики, изучающий конструкцию и физические процессы, проходящие как в отдельных элементах, так и в узлах АС называется Наука об управлении, связи и переработке информации. Она изучает процессы управления с информационной стороны отвлекаясь от энергетических, или конструктивных характеристик реальных систем.Это определение соответствует понятию Отрасль науки и техники, занимающаяся вопросами теории и принципов построения радиоавтоматических систем называется АС в которой перенос информации осуществляется с помощью радиосигналов называется Совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления называется Множество элементов (узлов, органов, приборов), понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность и подчиненных определенному руководящему принципу называется Совокупность технических средств (машин, аппаратов, устройств), которая нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для достижения поставленной цели управления называется Заранее договоренное состояние или изменение параметра физической величины, отображающее информацию, которая содержится в воздействии называется Понятие, которое указывает на взаимодействие между частями АС или АС и внешней средой называется Устройство, обеспечивающее воздействие на объект управления в соответствии с заложенным в нём законом управления называется Преднамеренное воздействие на управляемый объект, обеспечивающее достижение определенных целей называется Управление осуществляемое без непосредственного участия человека называется Управление осуществляемое с частичным участием человека называется Как называется воздействие вызываемое мешавшими внутренними или внешними сигналами, которое вызывает погрешности в работе АС и мешает реализации цели стоящей перед ней?

Как называется воздействие, обеспечиваеющее изменение состояния ОУ и реализацию цели управления (регулирования) АС?

Как называется воздействие, вызываемое внешним сигналом и обеспечивающее реализацию цели поставленной перед AС, являющееся предписывающим и определяющим цель работы АС?

Как называется принцип управления, по которому построена система, если управляющее воздействие в ней вырабатывается на основе информации об отклонении управляемой величины от требуемого значения?

Как называется принцип управления, по которому построена система, если управляющее воздействие в ней вырабатывается на основе информации об измерении возмущения, действующего на объект управления?

Как называется принцип управления, по которому построена система, если управляющее воздействие в ней вырабатывается на основе информации об отклонении управляемой величины от требуемого значения и резултатов измерения возмущения, действующего на объект управления?

Как называется принцип управления, по которому построена система, если управляющее воздействие в ней вырабатывается на основе информации об отклонении управляемой величины от требуемого значения, о входном сигнале, динамических характеристиках объекта управления?

Как называется принцип управления, по которому построена самонастраивающаяся система?

Как называется принцип управления, по которому построена система, изображенная на рисунке?

Как называется принцип управления, по которому построена система, изображенная на рисунке?

Как называется принцип управления, по которому построена система, изображенная на рисунке?

Как называется принцип управления, по которому построена система, изображенная на рисунке?

Как называется принцип управления, по которому построена система, изображенная на рисунке?

Деление автоматических систем на системы автоматического контроля, регулирования и управления соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы с обратной связью и без неё соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы стабилизации, программного управления, следящие системы соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы непрерывного действия и дискретного действия соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы аналоговые и цифровые соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы построенные по принципу управления по отклонению, возмущению, комбинированному и адаптации соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы автоматического сопровождения по направлению движущихся объектов, по дальности, системы автоматической подстройки частоты соответствует их классификации Деление автоматических систем на системы, управляемые напряжением, частотой, фазой, или временным положением сигнала соответствует их классификации Деление автоматических систем на линейные и нелинейные соответствует их классификации Как называется один из типовых элементов автоматической системы, формирующий задающее воздействие Как называется один из типовых элементов автоматической системы, формирующий сигнал рассогласования (ошибки) Как называется один из типовых элементов автоматической системы, обеспечивающий преобразование определенной природы параметра в электрический сигнал?

Как называется один из типовых элементов автоматической системы, обеспечивающий усиление входного сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы последующих устройств?

Как называется один из типовых элементов автоматической системы, служащий для непосредственного воздействия на регулируемый процесс в системах управления и регулирования?

Как называется один из типовых элементов автоматической системы, служащий для перемещения элемента индикатора в системах измерения и контроля?

Тест №2 (темы 4 – 6) Как называется автоматическая система, показанная на рисунке?

Как называется автоматическая система, показанная на рисунке?

Как называется автоматическая система, показанная на рисунке?

Как называется автоматическая система, показанная на рисунке?

Как называется автоматическая система, которая служит для контроля параметров различных объектов и определения их состояния?

Как называется автоматическая система, которая служит для управления различными объектами без оценки результата воздействия автоматической системы?

Как называется автоматическая система, которая служит для управления различными объектами, с оценкой результата воздействия автоматической системы?

Как называется автоматическая система, которая служит для регулирования параметров различых объектов?

Как называется автоматическая система, которая является наиболее общей и совершенной системой автоматики?

Как называется автоматическая система, которая является наиболее сложной системой автоматики?

Как называется автоматическая система, в которой используется индикатор особых состояний?

Как называется автоматическая система, в которой используется программирующее устройство?

Как называется автоматическая система, в которой используется элемент обратной связи?

Как называется автоматическая система, которая содержит два усилительных элемента?

Зависимость выходной величины элемента от входной при установившемся режиме называется Зависимость выходной величины элемента от входной при неустановившемся режиме называется Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует Статическая характеристика, показанная на рисунке соответствует При однозначном соответствии между реализациями входной и выходной величин динамический элемент называют Звено, непрерывным изменениям входной величины которого соответствуют непрерывные изменения выходной величины, называют звеном Звено, непрерывным изменениям входной величины которого соответствуют скачкообразные изменения выходной величины, называют звеном Звено, процессы в котором описываются линейными уравнениями, называют звеном Звено, процессы в котором описываются нелинейными уравнениями, называют звеном Звено, процессы в котором описываются уравнением с постоянными коэффициентами, называют звеном Звено, процессы в котором описываются уравнением с переменными коэффициентами, называют звеном Звено, содержащее элементы типа длинных линий, называют звеном Звено, не содержащее элементов типа длинных линий, называют звеном Угол в горизонтальной плоскости между прямой, соединяющей начало координат с проекцией объекта на эту плоскость и координатной осью называется Угол в вертикальной плоскости между прямой, соединяющей начало координат с проекцией объекта на плоскость и прямой, проходящей через начало координат и объект называется Измерение угловых координат движущихся объектов осуществляется системой Пространственно-временная селекция по дальности движущихся объектов с одновременным измерением расстояния от пункта наблюдения до объекта осуществляется системой Автоматическое управление частотой генератора гармонических колебаний так, чтобы частота fг этих колебаний с точностью до постоянного слагаемого f0 была равна частоте fc колебаний на входе некоторого радиотехнического устройства осуществляется системой Система, состоящая из двух следящих систем, в каждой из которых входной величиной является соответствующая угловая координата движущегося объекта называется Система, входной величиной для которой является интервал времени между моментами излучения зондирующих импульсов и приёма отраженных радиоимпульсов называется Система, входной величиной для которой является частота входного сигнала называется Система, выходной величиной для которой является угол, определяющий положение равносигнального направления называется Система, выходной величиной для которой является дальность до объекта называется Система, выходной величиной для которой является частота колебаний генератора fг называется Часть функциональной схемы какой системы показана на рисунке?

Функциональная схема какой системы показана на рисунке?

Функциональная схема какой системы показана на рисунке?

В какой автоматической системе применяется угловой дискриминатор?

В какой автоматической системе применяется временной дискриминатор?

В какой автоматической системе применяется частотный дискриминатор?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». – М.: Высш.шк., 1990. – 335 с.

2. Радиоавтоматика / Под ред. В.А.Берсекерского. – М.: Высшая школа, 1985.

3. Первачев В.С. Радиоавтоматика. – М.: Радио и связь, 1982.

4. Чураков Е.Л. Оптимальные и адаптивные системы. – М.:Энергоатомиздат, 1987.

5. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. – М.: Связь, 6. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. – М.: Наука, 1977.

7. Кривицкий Б.Х., Салтыков Е.Н. Системы автоматической регулировки усиления. – М.: Радио и связь, 1982.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.