Следящие системы
Разработка системы автосопровождения сигнала с каноническим сканированием 1-го порядка астатизма. Расчет постоянного времени простого инерционного звена и определение отношения сигнал/шум. Описание формы сигнала и расчет пропускной частоты приемника.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.03.2013 |
| Размер файла | 1,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
2
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
кафедра РТС
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине «Радиоавтоматика»
на тему Следящие системы
Выполнила Курзина А.В.
группа Р-47061
Проверил Астрецов Д.В.
г. Екатеринбург
2010г.
Задание на работу
Разработать систему автосопровождения сигнала по направлению (АСН) с каноническим сканированием (КС) 1го порядка астатизма.
Постоянная времени простого инерционного звена Т=1,2с
Отношение сигнал/шум q2макс=12
Максимальная скорость воздействия б1=14?/с
Максимальное ускоряющее воздействие б2=4?/с2
Эквивалентная полоса пропускания линейной части приёмника ?fэ=200 кГц
Граница апертуры Q=1,6?
Переходной режим 14 ?/с
Форма сигнала непрерывная.
автосопровождение сканирование приемник сигнал шум
Перечень разделов
Задание на работу
Введение
1. Общая характеристика системы, ее принцип действия, функциональная схема
2. Расчет основных параметров системы
2.1 Выбор петлевого коэффициента передачи (добротности) системы
2.2 Расчет системы без коррекции
2.3 Расчет корректирующего звена
2.4 Расчет системы с коррекцией
2.5 Расчет дисперсии ошибки слежения
2. Анализ срыва слежения
Заключение
Список используемой литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Система без коррекции
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Корректирующий фильтр
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Система с корректирующим звеном
Введение
Объектом курсового проектирования является система радиоавтоматики (следящая радиотехническая система), осуществляющая выделение какого-либо параметра радиотехнического сигнала с использованием принципа обратной связи.
Перечень исходных данных и требуемых значений показателей качества формулируются преподавателем - руководителем курсовой работы и может быть различным в зависимости от концепции руководителя.
В качестве исходных данных задается тип следящей радиотехнической системы, порядок ее астатизма, постоянная времени простого инерционного звена, полоса пропускания радиоприемного устройства, максимальное значение отношения мощностей сигнала и помехи на выходе линейной части радиоприемного устройства. В качестве характеристик воздействия фигурируют максимальные значения скорости и ускорения параметра сигнала, за которым следит система.
Целью проектирования является расчет основных параметров системы, удовлетворяющих системе заданных показателей качества.
1. Общая характеристика системы, ее принцип действия, функциональная схема
Системы автоматического слежения за направлением прихода радиосигнала широко используются в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении для измерения угловых координат источника сигнала. Поэтому их часто называют угломерными следящими системами. Благодаря использованию антенн с узкими диаграммами направленности рассматриваемые системы осуществляют также пространственную фильтрацию полезного сигнала на фоне мешающих сигналов, идущих из других точек пространства.
Функциональная схема системы углового сопровождения:
В ее состав входят: пеленгационное устройство, фильтр (ФНЧ), усилитель (У) и исполнительное устройство (ИУ). Пеленгационное устройство, играющее роль углового дискриминатора, состоит из антенны и приемника, в котором проводится обработка принятого радиосигнала. При отклонении источника сигнала (ИС) от некоторого направления РН, называемого радиосигнальным направлением антенны, на выходе пеленгационного устройства появляется напряжение uд(t), зависящее от величины и знака этого отклонения. Напряжение uд(t) далее фильтруется, усиливается и воздействует на исполнительное устройство. Исполнительное устройство изменяет положение антенны или состояние ее отдельных элементов так, что равносигнальное направление антенны смещается в пространстве и исходное угловое рассогласование между ним и направлением на источник сигнала уменьшается.
Угловое положение источника сигнала в пространстве обычно оценивается углами ии1 и ии2, отсчитываемыми в двух взаимно перпендикулярны плоскостях, как правило, горизонтальной (плоскости азимута) и вертикальной (плоскости угла места). В этих же плоскостях измеряется угловое рассогласование между равносигнальным направлением антенны и направлением на источник сигнала и осуществляется управление положением антенны.
Важным звеном системы углового сопровождения является пеленгатор. На практике находят применение двух типов: с последовательным и с одновременным сравнением сигналов. К пеленгаторам первого типа относятся пеленгаторы с каноническим сканированием и с переключением диаграммы направленности. В них используется одна антенна и одноканальное приемное устройство, Достоинством пеленгаторов этого типа является сравнительная простота. Более высокую точность измерения позволяют получить пеленгаторы с одновременным сравнением сигналов, называемые также моноимпульсными.
В данной работе используется пеленгатор с каноническим сканированием. Этот пеленгатор является одним из вариантов пеленгатора с последовательным сравнением сигналов. Его функциональная схема:
Этот пеленгатор, являющийся одним из вариантов пеленгатора с последовательным сравнением сигналов, работает следующим образом. Двигатель (Дв) вращает с круговой частотой облучатель антенны, смещенный относительно фокальной оси, обеспечивая тем самым сканирование диаграммы направленности антенны в пространстве. Направление максимума диаграммы при сканировании образует круговой конус, ось которого является равносигнальным направлением антенны. При отклонении источника сигнала от равносигнального направления радиосигнал на выходе антенны приобретает амплитудную модуляцию с частотой сканирования. Глубина модуляции определяется величиной отклонения, а фаза - направлением отклонения.
Сигнал с выхода антенны в приемнике преобразуется по частоте, усиливается в УПЧ, охваченном инерционной системой АРУ, и детектируется. Выделенная детектором Д огибающая амплитудно-модулированного радиосигнала фильтруется и усиливается в избирательном усилителе сигнала ошибки УСО, настроенном на частоту сканирования. Затем она поступает на амплитудно-фазовые детекторы АФД1 и АФД2 азимута и угла места, где перемножается с опорными колебаниями и , которые вырабатываются генератором опорных напряжений ГОН и синхронизированы со сканированием диаграммы направленности антенны. В результате перемножения на выходах амплитудно-фазовых детекторов формируются напряжения, пропорциональные отклонению источника сигнала от равносигнального направления по азимуту и углу места. Эти напряжения, являющиеся выходными напряжениями пеленгатора, после усиления и фильтрации используются для управления положением равносигнального направления антенны.
Достоинством пеленгаторов этого типа является сравнительная простота. Его недостатком, по сравнению с моноимпульсным, является меньшая точность, что обусловлено его чувствительностью к амплитудным флюктуациям сигнала и некоторыми другими факторами.
2. Расчет основных параметров системы
2.1 Выбор петлевого коэффициента передачи (добротности) системы
Номинальное значение петлевого усиления Кпо рассчитывается из условий:
1. Динамическая ошибка в стационарном режиме не превышает 5% полуапертуры;
2. Амплитуда ошибки слежения в стационарном режиме при действии эквивалентной синусоиды с заданными значениями скорости и ускорения воздействий не превышает указанных выше значений;
3. Максимальное значение ошибки в переходном режиме при скачке скорости воздействия не превышает 80% полуапертуры.
Петлевой коэффициент выбирается из трех условий.
По первому условию необходимо обеспечить величину динамической ошибки при воздействиях, обеспечивающих постоянное значение ошибок в стационарном режиме: ступенчатая функция для статических систем, включение линейно или квадратично меняющихся воздействий для систем, соответственно, с астатизмом первого или второго порядков. Необходимые значения коэффициентов передачи находятся с помощью формул:
Необходимо обеспечить, чтобы динамическая ошибка в стационарном режиме не превышала значения 5% полуапертуры дискриминатора системы, что составляет: ХД1=0,05·Q=0,05·1,6=0,08?
Минимально допустимое значение номинального коэффициента усиления определяется выражением: КП1=б1/ХД1, КП1=175 с-1
Второе условие требует выбора петлевого усиления таким образом, чтобы амплитуда ошибки, вызванной действием гармонического воздействия (t), не превышала заданного значения. Амплитуда эквивалентного динамического воздействия равна:
, с-1,
где - производная воздействия по времени (скорость воздействия); - вторая производная (ускорение) воздействия по времени.
Комплексный коэффициент передачи системы первого порядка астатизма в разомкнутом состоянии выглядит следующим образом:
.
Амплитуда ошибки слежения Хм в стационарном режиме может быть найдена из приближенного выражения:
Из условия, что максимальное значение ошибки в переходном режиме не должно превышать значения 80% полуапертуры дискриминатора системы при заданном значении скачка скорости воздействия:
Максимальное значение ошибки слежения при ступенчатом изменении скорости параметра (t) приближенно равно:
При этом должно выполняться условие: Хмакс<0,8Q
КП>24,049.
Исходя из этих условий выбираем:
КП=200.
2.2 Расчет системы без коррекции
Передаточная функция системы с астатизмом первого порядка в разомкнутом состоянии имеет вид:
Для исследования устойчивости полученной системы, рассчитаем логарифмическую амплитудно-частотную L(j) и фазочастотную (j) характеристики:
где
Для построения воспользуемся программным продуктом RRSystem, построенные ЛАХ и ФЧХ представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.
ЛАХ системы имеет наклон системы в области частоты среза -20дБ/дек. Частота среза щср = 12,186 рад.
Запас устойчивости по фазе цзап = 4? Как видно, система имеет недостаточный запас устойчивости по фазе. Для коррекции используем последовательную цепь - пропорционально-интегрирующий фильтр.
2.3 Расчет корректирующего звена
В числе наиболее популярных корректирующих цепей - пропорционально-интегрирующий фильтр, имеющий передаточную функцию:
,
где Т1 и Т2 - постоянные времени. с = /2 - зап, примем с = 1 рад, тогда зап = 32,7?.
>щср = 17,44 рад.
Постоянная времени форсирующего звена:
, Т1 = 0,105 сек.
Постоянная времени инерционного звена:
, Т2 = 0,014 сек.
Полученные ЛАХ и ФЧХ представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
2.4 Расчет системы с коррекцией
Передаточная функция с корректирующим звеном:
Для исследования устойчивости полученной системы, рассчитаем логарифмическую амплитудно-частотную L(j) и фазочастотную (j) характеристики:
где
Полученные характеристики представлены в ПРИЛОЖЕНИИ 3.
Частота среза щср = 17,418 рад.
Запас устойчивости по фазе цзап ? 48?
Полученные данные свидетельствуют об устойчивости полученной системы:
1. Частота среза находится на участке характеристики с наклоном -20дБ/дек.
2. Запас устойчивости по фазе превышает 30?.
3. Наклон ЛАХ не превышает -40дБ/дек.
4. АФХ системы не охватывает точку (-1;0).
2.5 Расчет дисперсии ошибки слежения
Для расчета дисперсии ошибки, вызванной действием помех, необходимо знание статистического эквивалента дискриминатора - его дискриминационной и флуктуационной характеристики. Как известно, первая является зависимостью математического ожидания напряжения на выходе дискриминатора от ошибки слежения, а вторая - зависимостью интенсивности помехи на выходе дискриминатора от ошибки слежения. В целом напряжение на выходе дискриминатора UД(t) имеет вид:
,
где x - ошибка слежения;
n(t) - помеха на выходе дискриминатора;
F(x) - условное математическое ожидание напряжения UД(t) при фиксированном x(t).
F(x) = <Uд(t)>|x
Для расчета дисперсии флуктуационной составляющей ошибки слежения можно воспользоваться частотным методом:
,
где Sэ() - спектральная плотность мощности помехи n(t), пересчитанной на вход дискриминатора (спектральная плотность эквивалентной помехи);
K(j) - комплексный коэффициент передачи замкнутой следящей системы.
Sэ() = Sn()/KД2
Комплексный коэффициент передачи замкнутой следящей системы:
Для системы первого порядка астатизма:
,
где B(s)=КП(1+jщT1);
C(s)=jщ(1+jщT)(1+jщT2)+КП(1+jщT1);
A(s)=B(s)+C(s)= КП(1+jщT1)+ jщ(1+jщT)(1+jщT2);
С0=КП=200;
C1=KП·T1=200·0,105=21;
С2=0;
d0=КП=200;
d1=1+КПТ1=1+200·0,105=22;
d2=Т+Т2=1,2+0,014=1,214;
d3=Т·Т2=1,2·0,014=0,0168.
Порядок системы n=3, тогда:
Шумовая полоса:
.
Спектральная плотность Sэ эквивалентной помехи определяется типом и параметрами дискриминатора, а также отношением мощностей сигнала и помехи q2 на выходе линейной части дискриминатора. Обычно для нахождения ее значения необходимо провести анализ помехоустойчивости дискриминатора, т.е. рассмотреть прохождение смеси сигнала и помехи через тракт выбранного дискриминатора. Такая задача является достаточно сложной, поэтому при выполнении настоящей курсовой работы необходимо использовать типовые функциональные схемы дискриминаторов, для которых получены выражения для спектральной плотности Sэ. Для исследуемой системы:
,
где q2 - отношение мощностей сигнала и помехи на выходе линейной части дискриминатора;
- нормированная крутизна диаграммы направленности антенны на равносигнальном направлении; а - коэффициент, зависящий от формы частотной характеристики УПЧ, лежащий в пределах от 0.5 до 1;
fэ - эквивалентная шумовая полоса линейной части приемного тракта.
Дисперсия: .
Полученное значение х получилось гораздо меньше, чем максимальное с.к.о. ошибки слежения хmax, составляющая 20% полуапертуры: хmax = 0,032. Поэтому можно заключить, что параметры сглаживающих цепей выбраны удачно.
3. Анализ срыва слежения
Срывом слежения считается достижение некоторого значения ошибки слежения, которое с физической точки зрения приводит к необратимым последствиям - дальнейшему росту или, во всяком случае, невозвращению в область небольших значений, считающихся приемлемыми. В математике при этом на обсуждаемом значении ставится поглощающая граница, т.е. изображающая точка, достигнувшая этой границы, в дальнейшем прекращает движение.
В настоящее время для анализа срыва слежения наиболее часто используются следующие математические методы:
Методы теории марковских процессов (уравнение Фоккера-Планка, уравнение Понтрягина).
Методы теории выбросов.
Метод статистической линеаризации (метод Мадорского-Сигалова).
Метод кинетической теории немарковских процессов (метод В.А.Казакова).
Для систем, порядок которых выше второго, практически единственным путем (за исключением моделирования) анализа срыва слежения является метод теории выбросов. В соответствии с ним вероятность срыва слежения отождествляется с вероятностью пересечения изображающей точкой границы апертуры дискриминатора - вероятностью выброса реализации за пределы апертуры дискриминатора. При использовании ряда допущений, справедливых при малых вероятностях срыва слежения, значение последней может быть найдено из приближенного равенства:
,
где mx - математическое ожидание ошибки слежения,
Тн - время наблюдения,
- дисперсия ошибки слежения линеаризованной системы;
- среднеквадратичное значение полосы пропускания следящей системы с коэффициентом передачи K(j) в замкнутом состоянии.
Приближенное выражение для зависимости коэффициента передачи дискриминатора от отношения q2 мощности сигнала к мощности помехи на выходе линейной части приемника позволяет записать подобное выражение для коэффициента передачи (добротности) системы:
Так как , то коэффициенты для вычисления данного интеграла принимают следующие значения:
получаем, что
Таким образом, получим:
Также от q2 зависит и дисперсия ошибки слежения линеаризованной системы :
где XГ - граница апертуры, mx=Fд - динамическая ошибка слежения, fп - среднеквадратичная полоса пропускания замкнутой системы, которая описывается следующей зависимостью:
В этой формуле второе слагаемое во много раз меньше первого, поэтому пренебрежем им, тогда формула будет выглядеть:
.
По графику можно определить минимальное значение отношения мощностей сигнала и помехи по критерию равенства вероятности слежения, оно равно q2=1,6·10-3.
Несмотря на сравнительно низкую точность вычисления вероятности срыва слежения при использовании теории выбросов, характеристика интенсивности помех (например, отношение мощностей сигнала и помехи q2 на выходе линейной части дискриминатора), при которой срыв слежения наступает с заданной вероятностью, определяется с небольшой погрешностью. Это свойство обусловлено резким, “пороговым” характером зависимости вероятности срыва слежения от относительного уровня помехи.
Заключение
В данной курсовой работе был произведен расчет АСН с КС в соответствии с заданием.
Была исследована система без коррекции, она не удовлетворяла требованиям по фазе. Поэтому был использован корректирующий фильтр, который так же был исследован. Затем были произведены расчеты системы с корректирующим звеном, запас устойчивости по фазе составил более 40?, чего вполне достаточно. Кроме того применение данного фильтра позволило получить наклон ЛАХ в -20дБ/дек. Поэтому можно заключить что полученная система полностью удовлетворяет требованиям технического задания.
Также в данной работе был произведен анализ срыва слежения и было определено минимальное значение отношения мощностей сигнала и помехи по критерию равенства вероятности слежения, оно составило q2=1,6·10-3.
Список используемой литературы
1. Конспект лекций по курсу Радиоавтоматика.
2. Первачев С. В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. - М.: Радио и свзь, 1982. - 296с.
3. Следящие радиосистемы: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Радиоавтоматика» /Д.В. Астрецов. Екатеринбург: 2007. 52 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Система без коррекции
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Корректирующий фильтр
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Система с корректирующим звеном
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Выбор значения промежуточной частоты, избирательной системы тракта приемника, способа и элемента настройки, детектора сигнала и преобразователя частоты. Проверка реализации требуемого отношения сигнал/шум на выходе. Расчет каскадов заданного приемника.
курсовая работа [966,1 K], добавлен 01.10.2013Расчет спектральных характеристик сигнала. Определение практической ширины спектра сигнала. Расчет интервала дискретизации сигнала и разрядности кода. Определение автокорреляционной функции сигнала. Расчет вероятности ошибки при воздействии белого шума.
курсовая работа [356,9 K], добавлен 07.02.2013Выбор частоты дискретизации первичного сигнала и типа линейного кода сигнала ЦСП. Расчет количества разрядов в кодовом слове. Расчет защищенности от шумов квантования для широкополосного и узкополосного сигнала. Структурная схема линейного регенератора.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 05.01.2013Применение систем частотной автоподстройки (ЧАП) в радиоприёмных устройствах для поддержания постоянной промежуточной частоты сигнала. Расчет основных параметров системы. Выбор корректирующих цепей. Коррекция системы ЧАП первого порядка астатизма.
реферат [168,5 K], добавлен 15.04.2011Оптимизация системы обработки сигнала - задача статистической радиотехники. Характеристика и расчет критериев оптимальности. Оптимизация по критерию максимума отношения сигнал/шум и минимума среднеквадратической ошибки воспроизведения полезного сигнала.
контрольная работа [178,3 K], добавлен 16.08.2009Выбор частоты дискретизации линейного сигнала. Расчет разрядности кода. Разработка структуры временных циклов первичной цифровой системы передачи и определение ее тактовой частоты. Вычисление параметров цикловой синхронизации первичного цифрового потока.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 12.03.2014Структурная схема системы связи. Сущность немодулированных сигналов. Принципы формирования цифрового сигнала. Общие сведения о модуляции и характеристики модулированных сигналов. Расчет вероятности ошибки приемника в канале с аддитивным "белым шумом".
курсовая работа [1,9 M], добавлен 07.02.2013Анализ условий передачи сигнала. Расчет спектральных, энергетических характеристик сигнала, мощности модулированного сигнала. Согласование источника информации с каналом связи. Определение вероятности ошибки приемника в канале с аддитивным "белым шумом".
курсовая работа [934,6 K], добавлен 07.02.2013Выбор частоты дискретизации широкополосного аналогового цифрового сигнала, расчёт период дискретизации. Определение зависимости защищенности сигнала от уровня гармоничного колебания амплитуды. Операции неравномерного квантования и кодирования сигнала.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 18.07.2014Проектирование цифровой системы передачи на основе технологии PDH. Частота дискретизации телефонных сигналов. Структура временных циклов первичного цифрового сигнала и расчет тактовой частоты агрегатного цифрового сигнала. Длина регенерационного участка.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 07.05.2011
