АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра
электроники и компьютерных технологий
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИКИ В ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИИ
Программа
курса, методические указания и контрольные задания
для
студентов факультета заочного обучения и переподготовки специалистов
по
специальности 380540-Радиосвязь, радиовещание и телевидение
Алматы 2005
СОСТАВИТЕЛЬ: К.Д.Абулгазинов. Системы автоматики в
телерадиовещании. Программа курса, методические указания и контрольные задания
для студентов специальности 380540 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение
заочной формы обучения.-Алматы:АИЭС,2005.-16с.
Данная разработка включает в себя программу курса, контрольные задания для студентов-заочников и методические указания на их выполнение, а также список необходимой литературы.
Ил. 5,табл.1,библиогр.- 6 назв.
Рецензент: канд.
физико-математических наук, доцент кафедры ЭКТ Б.М. Шайхин
Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2005 год.
© Алматинский институт энергетики и
связи, 2005г.
Введение
В современных
радиотехнических устройствах, используемых для целей радиосвязи, радиолокации, радионавигации,
радиоуправления и т.д., широко применяются автоматические системы. Особенностью
таких систем являются использование для управления радиосигналов. Наибольшее
распространение среди них получили системы фазовой и частотной автоподстройки,
системы слежения за временным положением и направлением прихода радиосигнала.
Такие системы используются в качестве следящих измерителей, демодуляторов,
фильтров, пространственных и временных селекторов, для осуществления
синхронизации в телевидении и в многоканальных системах передачи сообщений, при
когерентном суммировании сигналов от нескольких источников, для стабилизации
частоты генераторов, для стабилизации фазового набега в усилителях и для
решения других задач (5),таких, как автоматическая регулировка усиления в
радиоприемных устройствах и т.д.. Наряду с перечисленными системами автоматического
регулирования (САР), в состав радиотехнических устройств часто включают радиоавтоматические системы контроля их
состояния, например, системы контроля наличия сигнала и соответствующего
изменения режима работы устройства: перехода от режима поиска к слежению или от
режима ожидания к режиму активной работы. Важную группу составляют цифровые
системы или САУ с микроЭВМ. Иногда к числу систем радиоавтоматики (систем РА)
относят также конструктивно входящие в состав радиотехнических устройств САР температуры,
давления и некоторые другие. Такие системы могут играть важную роль в
нормальной работе радиотехнического устройства.
Сходство систем автоматики в
телерадиовещании (СА в ТРВ) с автоматическими системами других назначений
определяется общностью многих элементов, из которых строятся эти системы (усилительно-преобразовательные элементы,
исполнительные элементы, корректирующие средства, управляющие ЭВМ и др.), а
также единством теории.
Теория систем РА и систем
автоматики в ТРВ практически совпадает с общей теорией автоматического
управления (ТАУ), которая в свою очередь является ветвью кибернетики-науки об
общих законах управления и обработки информации.
Изучение курса «Системы
автоматики в телерадиовещании» дает возможность студентам специальности
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение» овладеть методами, позволяющими успешно осуществлять анализ устойчивости и
качества конкретных систем и комплексов, синтез различного вида
радиотехнических систем автоматики с заданной точностью управления и быстродействием.
Настоящие методическое
указания составлены на основе программы дисциплины «Радиоавтоматика» для
специальностей «Радиотехника», «Радиосвязь, радиовещание, телевидение»,
утвержденной в 1997 году УМО МО РК по специальностям радиоэлектроники и
телекоммуникации, а также с учетом
рабочей программы АИЭС 1998 года по курсу «Радиоавтоматика» для студентов
специальностей «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» заочного обучения.
Общее время, отводимое на изучение данного курса по учебному
плану, составляет 90 часов, в том числе: аудиторных занятий-18 часов (из них
12ч-лекций, 6ч-лабораторных работ),самостоятельной работы-72 часа. В данном
курсе предусмотрено выполнение двух контрольных работ, предполагающее
самостоятельное закрепление студентами пройденных разделов дисциплины.
К сдаче экзамена по курсу студенты допускаются после
прослушивания лекций, выполнения и защиты трех лабораторных и двух контрольных
работ.
1 Программа
курса
1.1
Содержание
курса
1.1.1
Введение.
Основные понятия
Назначения и
роль систем автоматики в телерадиовещании. Примеры систем: система
автоматической регулировки усиления. Классификация систем автоматического
управления (САУ). Обобщенная структурная схема системы радиоавтоматики (системы
РА). Процессы в САУ. Понятие об устойчивости системы, качестве процессов и
точности управления
[1, раздел 1;
2, раздел 1 , раздел 1; 4, 5, раздел 1]
1.1.2
Математическое описание линейных САУ.
Переход от
функциональных схем к структурным. Типовые входные воздействия. Передаточная
функция. Переходные и частотные характеристики. Типовые звенья. Соединения
звеньев. Построение логарифмических амплитудно-частотных (ЛАЧХ) и
фазо-частотных характеристик (ЛФЧХ).
[1, раздел 2; 2
, раздел 1; 3, раздел 2; 4, раздел 1]
1.1.3 Анализ
процессов в САУ в установившемся режиме.
Статический
режим статических систем. Способы устранения статического отклонения.
Достоинства и недостатки способов. Стационарные режимы линейных САУ при
случайных воздействиях. Анализ случайных процессов в линейных стационарных
системах радиоавтоматики.
[1, раздел 6 ;
2, раздел 2; 3, раздел 4; 4, разделы 2, 3]
1.1.4
Устойчивость систем радиоавтоматики. Алгебраический критерий устойчивости
Гурвица. Частотный критерий устойчивости Найквиста. Исследование устойчивости
по логарифмическим частотным характеристикам. Влияние запаздывания на
устойчивость радиоавтоматической системы.
[1, раздел 5;
2, раздел 2; 3, раздел 3; 4, раздел 4]
1.1.5 Оценка
качества процессов управления и регулирования. Проектирование систем
радиоавтоматики. Синтез САУ на основе использования ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой
системы. Желаемая ЛАЧХ. Корректирующие устройства.
[1, раздел 7;
3, раздел 5;4, раздел 7]
1.1.6 Нелинейные системы автоматики. Особенности
статики и динамики нелинейных систем. Типовые нелинейности. Методы исследования
нелинейных систем: фазовой плоскости; гармонической линеаризации.
[1, раздел 11; 2, раздел 5; 4, разделы
8, 9]
1.1.7. Импульсные и цифровые системы автоматики, виды
модуляции. Классификация импульсных САУ. Линейные импульсные системы.
Математический аппарат разностных уравнений и Z-преобразование.
Z-изображение типовых сигналов.
Дискретные передаточные функции типовых звеньев. Структурная схема
цифровой системы. Цифровые фильтры. Цифровая система автоподстройки
частоты. Анализ устойчивости и точности
цифровых систем. Синтез цифровых систем. Использование микропроцессорных
средств в системах автоматики. Выбор периода дискретности.
[1, раздел 9;
2, раздел 7; 4, раздел 12]
1.1.8.
Оптимальные и адаптивные системы автоматики. Критерии оптимальности.
Ограничения. Принцип максимума. Принципы и схемы построения адаптивных систем.
Построение контура самонастройки.
[1, раздел 12;
2, раздел 8; 4, раздел 14]
1.2.
Методические указания к изучению теоретических вопросов.
1.2.1. При
изучении раздела 1.1.1 обратите внимание на цели, задачи создания систем
автоматики, процессы в САУ.
1.2.2. При
изучении раздела 1.1.2 обратите внимание на характеристики типовых звеньев и построение ЛАЧХ.
1.2.3. При
изучении раздела 1.1.3. обратить внимание на способы повышения точности САР в
установившемся режиме, а также на статистическую теорию исследования
установившихся режимов.
1.2.4. При изучении разделов 1.1.4, 1.1.5 обратить
внимание на зависимость устойчивости от параметров системы и, в
частности, от коэфициента усиления разомкнутой
системы. Следует усвоить математический и физический смысл
устойчивости. Необходимо знать, что
вопросы обеспечения устойчивости, требований к качеству системы
(характерезуемых статической точностью системы, длительностью переходного
процесса, перерегулированием) взаимосвязаны, требуют комплексного подхода и
проведения коррекции. Знать основные требования к построению желаемой ЛАЧХ и к реализации
корректирующего звена.
1.2.5. При
изучении раздела 1.1.6. обратить внимание на особенности динамики нелинейных
систем в отличие от линейных. Внимание
следует уделять методам гармонической линеаризации, фазовой плоскости. Важное
значение имеют также вопросы оценки срыва слежения и поиска сигналов.
1.2.6. При
изучении раздела 1.1.7. обратить внимание, что системы с квантованием по
времени и по уровню находят широкое применение в радиолокации, радиосвязи,
радиовещании и радиоуправлении. Необходимо обратить внимание на понятие
дискретной передаточной функции при наличии фиксатора нулевого порядка,
передаточных функций разомкнутой и замкнутой импульсных систем и методы анализа
дискретных систем.
Необходимо
знать методы анализа цифровой системы с микропроцессором в контуре в случае,
если частота, определяемая периодом квантования, существенно ниже, чем частота
среза, а также в случае, если эти частоты соизмеримы.
1.2.7. При
изучении раздела 1.1.8. следует
уяснить, что основное отличие адаптивных систем автоматики от обыкновенных
заключается в возможности приспособления их к изменяющимся внешним условиям
работы. Рекомендуем обратить внимание на принципы построения экстремальных
систем автоматического управления.
1.3. Содержание
лабораторных занятий
1.3.1. Снятие
статических, переходных и частотных характеристик звеньев системы радиоавтоматики
и определение их параметров.
1.3.2.
Исследование устойчивости, точности и качества замкнутой системы
автоматического регулирования.
1.3.3.
Исследование импульсной системы.
2 Контрольные
работы.
2.1 Контрольная
работа №1
2.1.1
Необходимо исследовать систему автоматической подстройки частоты (систему АПЧ),
представленной на рисунке 1а, б:
а)
б)
Рисунок 1 - Функциональная (а) и структурная (б)
схемы системы АПЧ
Смеситель и УПЧ представлены безынерционными
звеньями с коэффициентами передачи, равными единице.
Дискриминатор Д
и УПТ представлены на структурной схеме передаточными функциями и инерционных звеньев с параметрами , и , .
2.1.2 Исходные
данные
Студенты,
фамилия которых начинается на буквы от А до буквы М, представляют гетеродин в
виде инерционного звена ,
остальные студенты представляют гетеродин в виде интегрирующего (астатического)
звена (где).
Числовые
значения исходных данных находятся по формулам, где А – предпоследняя цифра
шифра зачетной книжки студента, В – последняя цифра:
а) коэффициент
усиления дискриминатора ;
б) постоянная
времени дискриминатора ;
в) коэффициент
усиления УПТ ;
г) постоянная
времени УПТ ;
д) коэффициент
усиления гетеродина ;
е) постоянная
времени гетеродина ;
ж) постоянная
времени гетеродина (интегрирующее звено) ;
или коэффициент передачи
интегрирующего звена,
имеющей размерность
1/с.
2.1.3. Анализ и
синтез системы АПЧ:
а) провести
анализ устойчивости системы по критерию Гурвица. Определить критический
коэффициент усиления;
б) построить
логарифмические амплитудную и фазовую частотные характеристики разомкнутой
системы и на этой основе дать оценку устойчивости замкнутой системы. Определить
критический коэффициент усиления разомкнутой системы и сравнить с ранее
найденным его значением;
в) осуществить
синтез последовательного корректирующего звена (КЗ) таким образом, чтобы
выполнить требования по статической точности, запасам устойчивости и к
показателям качества переходных процессов, а именно:
1) статическая
ошибка или статизм по возмущению должен быть: ;
2) требования
к статической системе:
- время
регулирования ,
где - наибольшая постоянная времени в исследуемой системе (или );
- перерегулирование
;
3) требование к астатической системе, содержащей ;
- время
регулирования ,
где ;
-
перерегулирование ;
г) осуществить
выбор электрической схемы корректирующего звена и расчет параметров. Выводы.
2.1.4.
Методические указания к контрольной работе:
а) для анализа
устойчивости по критерию Гурвица и определения критического значения
коэффициента усиления или необходимо по передаточной функции
разомкнутой системы найти передаточную функцию замкнутой системы и записать характеристическое уравнение
системы .
Используйте условия устойчивости Гурвица, проведите необходимый анализ и
сделайте выводы;
б) все логарифмические
частотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ), необходимые для проведения анализа
исходной (нескорректированной (н.с.)) системы и осуществления синтеза
последовательного корректирующего звена, строятся на одном графике в масштабах
(формат можно увеличить).
Рисунок 2 -
Координаты для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ и примерный вид желаемой ЛАЧХ
Вначале найти передаточную функцию исходной
(исх.) разомкнутой нескорректированной системы и построить асимптотическую ЛАЧХ
и ЛФЧХ системы ( и
).
По графикам ЛАЧХ и ЛФЧХ системы на основе критерия Найквиста определить
устойчивость.
Для этого
вначале можно определить:
- частоту
среза исходной системы или (частоту
при которой ЛАЧХ пересекает ось частот и имеет значение, равное 0 дБ);
- критическую
частоту системы (частоту, при которой ЛФЧХ имеет фазовой
сдвиг – 180 градусов).
Запас устойчивости по фазе равен .
Если запас по фазе отрицателен или ,
то система не устойчива.
Критический коэффициент усиления находят по ЛАЧХ, построенной и проходящей
через найденную частоту ;
в) синтез корректирующего звена
предусматривает построение желаемой ЛАЧХ ().
Желаемую ЛАЧХ разбивают условно на три поддиапазона (рисунок 2).
Низкочастотный поддиапазон Lж строится, исходя из требуемой статической ошибки S=0,01.
Следовательно, требуемый коэффициент усиления в области низких частот .
Среднечастотный поддиапазон Lж представляет собой прямую линию
под наклоном –20 дБ/дек, проходящую через точку, соответствующую желаемой или
требуемой частоте среза .
Высокочастотный поддиапазон Lж обеспечивает уменьшение влияния высокочастотных помех на систему
и может совпадать по частотам сопряжения и наклонам отрезков с ЛАЧХ исходной
системы.
После построения желаемой асимптоты (с учетом и порядка астатизма) на низкочастотном
поддиапазоне следует найти желаемое значение частоты среза . Частота
среза выбирается с учетом заданных времени
регулирования и величины перерегулирования ,
например, по приближенной зависимости ,
где -
коэффициент, зависящий от величины перерегулирования ,
можно определить по графику на рисунке 3а.
Требуемый запас
устойчивости системы по модулю в зависимости от выбирается по графику на рисунке 3б.
Величина при частоте ЛАЧХ выбирается из условия, чтобы значение
ЛФЧХ при этой частоте было не менее [].
Приближенное значение L2 можно выбрать равным L3
В литературе имеется ряд других рекомендаций
по выбору величины частот и .
Наклон ЛАЧХ [-40..-60] в интервале частот при выбирается из условия наиболее простой
практической реализации ЛАЧХ, так как характер ЛАЧХ в этих интервалах частот
существенного влияния на переходный процесс в системе не оказывает.
а) б)
Рисунок 3 -
Приближенные графики для определения по допустимому перерегулированию
коэффициента и величины
ЛАЧХ последовательно включенного
корректирующего звена находится вычитанием значений исходной ЛАЧХ
из желаемой ЛАЧХ.
Схема реализации КЗ выбирается в справочной
литературе в соответствии с и .
2.2 Контрольная
работа №2
2.2.1
Рассматривается система автоматического регулирования (САР), имеющая в своем
контуре ЦВМ (микропроцессор МП). Эквивалентная структурная схема показана на
рисунке 4
Рисунок 4 - Структурная схема
Передаточная
функция непрерывной части системы регулирования имеет вид , (1)
где К- общий
коэффициент усиления разомкнутой цепи регулирования;
а -постоянная времени
корректирующего устройства.
Определить допустимое значение периода
дискретности ЦВМ и требуемое значение постоянной времени корректирующего
устройства, чтобы показатель колебательности
М не превышал заданного
значения.
Предполагается, что запаздывание в ЦВМ равно нулю, а влиянием
квантования по уровню можно пренебречь. Значения К и М берутся из
таблицы.
Последняя цифра шифра
студента |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
90 |
10 |
150 |
200 |
80 |
120 |
130 |
160 |
170 |
180 |
М |
1.25 |
1.1 |
1.5 |
2.0 |
1.2 |
1.35 |
1.4 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
2.2.2
Методические
указания
Необходимо определить передаточную функцию
разомкнутой системы совместно с ЦВМ
(2)
В
соответствии с таблицей z-преобразования
[1..5]
(3)
Далее из (2)
находим
(4)
Перейдем к w-преобразованию,
использовав подстановку
. (5)
В результате
получаем
(6)
Получим теперь
частотную передаточную функцию посредством подстановки ,
(7)
где -
представляет собой абсолютную псевдочастоту.
Используя
подстановку (7), имеем из (6)
, (8)
Модуль
частотной передаточной функции разомкнутой системы равен
. (9)
а фаза
(10)
По выражению
(9) на рисунке 5 построены ЛАХ. По виду фазовой характеристики (10) этот случай сводится к ЛАХ типа 2-1-2.[6]. В
результате получаем следующие формулы для расчета: базовая псевдочастота ЛАХ
равна ;
требуемое значение постоянной времени корректирующего устройства ; требуемая протяженность участка ЛАХ с наклоном 20 дБ/дек
; допустимое значение периода дискретности , откуда, с.
Рисунок 5 - ЛАХ и ЛФХ
к контрольной работе №2
Литература
1.
Коновалов
Г.Б. Радиоавтоматика. – М.:Радиотехника, 2003.
2.
Радиоавтоматика
/Под ред. В.А.Бесекерского. –М.:Высшая школа, 1985.
3.
Теория
автоматического управления. Под ред. А.А Воронова –М.:Высшая школа, 1986.
4.
Юревич
Е.М. Теория автоматического управления. –Л.: Энергия, 1975.
5.
Первачев
С.В. Радиоавтоматика: Учебник для
вузов.-М.: Радио и связь, 1982.-296 с.
6.
Сборник
задач по теории автоматического регулирования и управления, под ред. В.А.
Бесекерского.-М., 1978.
Содержание
Введение 3
1
Программа
курса
1.1
Содержание
курса
5
1.2
Методические
указания к изучению теоретических вопросов 6
1.3 Содержание лабораторных
занятий 7
2
Контрольные работы
2.1 Контрольная работа №1
8
2.2 Контрольная работа №2
12
Литература 15
Сводный план 2005г., поз 118
Кенжебай
Дюсенгельдинович Абулгазинов
СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ В ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИИ
Программа методические указания и контрольные задания
для
студентов специальности 380540-Радиосвязь, радиовещание и телевидение заочной
формы обучения
Редактор Ж.М. Сыздыкова
Подписано в
печать_________
Формат 6084 1/16
Тираж 400 экз. Бумага
типографская №1
Объем
уч.-изд.л. Заказ___.
Цена__тг.
Копировально-множительное
бюро
Алматинского института
энергетики и связи
050013 Алматы, Байтурсынова,
126