BLACKCURSE

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.

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 L_ж строится, исходя из требуемой статической ошибки S=0,01. Следовательно, требуемый коэффициент усиления в области низких частот .

Среднечастотный поддиапазон L_ж представляет собой прямую линию под наклоном –20 дБ/дек, проходящую через точку, соответствующую желаемой или требуемой частоте среза .

Высокочастотный поддиапазон L_ж 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