ВВедение

Широкое применение автоматики в настоящее время стало повседневным явлением, как в быту, так и на производстве, телекоммуникациях, транспорте, средствах развлечений, спорте и военной технике. Было бы странно, если бы автоматизация не коснулась радиоэлектронных систем, являющихся составной частью значительного большинства объектов, присутствующих в каждой из перечисленных сторон современной жизни. Достаточно указать на сотовый телефон как элемент современной связи, в котором присутствует несколько автоматических устройств, обеспечивающих надёжность и качество переговоров.

Автоматика как одна из отраслей современной техники различает два класса систем управления:

1) системы с управлением по воздействию, без непосредственного контроля результата;

2) системы с управлением по рассогласованию (ошибке) управления;

3) системы с комбинированным управлением.

Системы второго и третьего типов по сравнению с системами первого типа обладают рядом повышенных показателей качества, вызванных использованием обратной связи, когда закон управления формируется с учётом ошибки, выявляемой с помощью датчика рассогласования. При этом закон управления формируется таким образом, чтобы абсолютное значение рассогласования (ошибки) было как можно меньшим. Системы такого типа часто называют следящими, так как закон управления требует максимального приближения воздействия к результату управления [3].

Следящие системы обычно применяются в случаях, когда необходимо определять текущие значения какого-либо неизвестного параметра, меняющегося во времени. В радиоэлектронных следящих системах неизвестным, как правило, является значение одного или нескольких параметров радиосигнала – амплитуды, фазового сдвига, частоты и т.д.; которые являются нелинейными функциями сигнала, т.е. по отношению к входному сигналу следящие радиосистемы являются нелинейными. Эта особенность приводит к выделению их в отдельный класс систем автоматического управления, называемых также системами радиоавтоматики или радиоавтоматическими системами. Используется также термин «радиоэлектронные системы автоматического управления» [4]. Все указанные термины, как и термин «следящие радиосистемы», имеют одинаковое право на использование.

Рассмотрим классификацию следящих радиосистем. Важным признаком таких систем является вид параметра радиосигнала, рассматриваемый в качестве задающего воздействия. Им может быть, как отмечалось, фаза, частота, а также временное положение радиосигнала и направление его прихода. Соответственно выделяются системы фазовой, частотной, временной, угловой автоподстройки. В зависимости от используемого параметра изменяется ряд элементов (устройств) системы – измеритель рассогласования (дискриминатор) и объект управления. В частности, в системе фазовой автоподстройки (ФАП) – это фазовый дискриминатор и управляемый (подстраиваемый) генератор, в системе слежения за направлением прихода сигнала (АСН) – угловой дискриминатор и устройство управления положением диаграммы направленности антенны и т.п.

Перечисленные типы не ограничивают перечень реально применяемых следящих радиосистем (системы радиоавтоматики). Существуют системы автоматической регулировки усиления (АРУ), широко используемые в устройствах приёма и обработки радиосигналов, системы слежения за крутизной закона изменения частоты в радиовысотомерах с частотной модуляцией, и множество других, приведённых, в частности, в учебном пособии [4].

Наиболее часто используется четыре первых вида систем радиоавтоматики. Система АРУ, как правило, изучается в курсе «Устройства приёма и обработки радиосигналов» как практически неотъемлемая часть каждого радиоприёмника.

В зависимости от характера уравнения, описывающего процесс управления, различаются непрерывные или дискретные, линейные или нелинейные, стационарные или нестационарные (с переменными параметрами) следящие радиосистемы.

Важную группу составляют цифровые следящие радиосистемы, использующие устройства и подсистемы цифровой техники. В противоположность им нецифровые системы обычно называют аналоговыми. Построение цифровых систем связано с дискретизацией и квантованием происходящих в них процессов. Поэтому такие системы необходимо классифицировать как дискретные нелинейные системы, так как процесс квантования является нелинейным преобразованием.

Приведённая классификация не является полной в силу ограниченного объёма настоящего издания. Более полную классификацию можно найти в источниках [1], [2] и [4].

Наряду с сигналом, несущим информацию о воздействии, призванном управлять движением системы, на вход радиоприёмного устройства следящей радиосистемы поступают мешающие процессы, называемые помехами. Действие помех приводит к повышению ошибок слежения, а также зачастую к нарушению процесса сопровождения цели, называемого срывом слежения, при котором значения ошибок слежения возрастают до недопустимых величин. Поскольку прием радиосигналов всегда сопровождается присутствием радиопомех, задача борьбы с ними, называемая задачей повышения помехоустойчивости, всегда является актуальной. Помехи в системах радиоавтоматики делятся на два класса – аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные помехи суммируются с полезным сигналом и образуют смесь сигнала и помехи

,

где – сигнал, параметром которого является воздействие;– аддитивная помеха, существование которой может быть вызвано тремя основными причинами.

Первая причина – естественные электромагнитные процессы, существование которых обусловлено законами физики: излучением объектов окружающей среды, в том числе космических объектов, а также наличием внутреннего шума приемника. Такие помехи присутствуют всегдаи называютсяестественными.

Вторая причина – наличие электромагнитных излучений, вызванных деятельностью человека: излучение промышленных установок, транспорта, радиоэлектронных средств, не относящихся к данной системе (средств связи, радиолокации, радионавигации, радио и телевещания и т.д.). Проблемы борьбы с такими помехами выделены в отдельное направление радиоэлектроники, называемое электромагнитной совместимостью.

Третья причина – электромагнитные излучения, созданные для подавления рассматриваемой радиосистемы. Такие помехи называются организованными, их действие по замыслу постановщиков должно приводить к значительному повышению ошибок слежения или к срыву слежения.

Самыми простыми способами борьбы с аддитивными помехами является повышение мощности сигнала за счет использования более мощных радиопередающих устройств, а также за счет сужения главного лепестка диаграммы направленности приемной или передающей антенн, повышающих коэффициенты усиления антенн следящей радиосистемы.

Повышение мощности передающего устройства связано с резким ростом его стоимости, массы и габаритов, а также повышением уровня электромагнитного фона окружающей среды и уровня непреднамеренных помех искусственного происхождения другим радиосистемам.

Сужение диаграмм направленности антенн приводит к повышению их геометрических размеров, массы, габаритов и стоимости.

Более рациональным, но при этом наиболее сложным способом борьбы с аддитивными помехами является совершенствование способов обработки сигнала, использование сложных (широкополосных) сигналов. Этот же способ борьбы является, как правило, эффективным при действии мультипликативных помех, модулирующих полезный сигнал [2].

Последний класс помех возникает при более сложном взаимодействии сигнала с мешающими факторами, нежели суммирование. Чаще всего это помехи, вызванные случайными изменениями параметров среды, в которых распространяются радиоволны. Кроме того, такие помехи возникают при многолучевом распространении радиоволн, когда в точке приема суммируются электромагнитные колебания, пришедшие от одного источника различными путями с отличающимися амплитудами, фазами, а иногда и частотами. При этом возникают флуктуации амплитуд, фаз и частот принятого сигнала, которые и являются мультипликативными помехами. В целом, при рациональных способах обработки сигнала действие мультипликативных помех, как правило, менее опасно действия аддитивных [2], однако учитывать их действие, необходимо.

Таким образом, особенностью следящих радиосистем является обязательный учет действия радиопомехпри проектировании и поиск наилучших способов ослабления их действия на систему.

При инженерном проектировании радиосистем и радиоустройств возникает необходимость сравнения различных вариантов реализации объектов проектирования, решающих поставленную задачу различными способами. В настоящее время считается целесообразным проводить сравнение по совокупности показателей качества, количественно характеризующих общую успешность решения поставленной задачи. Как показывает опыт, число учитываемых показателей при проектировании реальных радиосистем достигает более ста значений, учитывающих экономические, эксплуатационные, функциональные и другие факторы. В настоящем издании рассматривается небольшая группа показателей, характеризующая качество выполнения основной задачи следящей системы. Такой задачей является определение текущего значения – управляющего воздействия на радиосистему.

Показатели качества, связанные с основной функцией системы – точным воспроизведением воздействия , делятся на две группы:

1. Эффективность.

2. Обобщенная надежность.

Первая группа характеризуется двумя основными показателями качества:

1. Быстродействие.

2. Точность.

Быстродействие – характеристика скорости отработки системой управляющего воздействия .

Традиционный способ оценки быстродействия – длительность переходного процесса системы [3]. В этом случае воздействие полагается единичной функцией, а переходная характеристика – откликом системы. Длительность переходного процесса оценивается временем достижения установившегося значения переходной характеристики по тому или иному критерию (подробнее об этом ниже).

Кроме того, быстродействие оценивается запаздыванием отклика в стационарном режиме на воздействие в виде интеграла от единичной функции

Характеристикой быстродействия является также частота среза , определенная по равенству единице амплитудно-частотной характеристики системы в разомкнутом состоянии. Во многих случаях с хорошим приближением можно оценивать запаздывание системыкак величину, обратную частоте среза [1]:

Второй показатель, входящий в группу «эффективность» – точность, характеризуемая ошибкой слежения

Поскольку оперировать переменной величиной как показателем качества неудобно, на практике используется какое-либо численное значение функции или интеграла ее функции. В частности, это может быть модуль максимального значения в каком-либо характерном режиме (например, в переходном процессе), среднее значение, либо средний квадрат или среднеквадратичное отклонение за какой-либо отрезок времени (в том числе и бесконечный).

Последний показатель часто применяется, если ошибка слежения вызывается случайными изменениями воздействия или помехи. В случае, когда ошибка вызывается действием нескольких возмущений и система является по отношению к ним линейной, показателем точности является эффективное значение ошибки

,

где – средний квадрат ошибки, вызваннойi-м возмущением (в том числе помехой).

Показатели качества, входящие в группу «обобщённая надёжность», можно представить двумя группами:

• аппаратурная надёжность,

• помехозащищённость.

Аппаратурная надёжность характеризуется вероятностью отсутствия отказа (внезапного или постепенного), нарушающего функционирование системы за некоторый отрезок времени, определяемый ее назначением и особенностями режима работы. Расчет значения этого показателя выполняется по методам, созданным теорией надежности радиоаппаратуры [4].

Второй показатель качества этой группы является вероятностью отсутствия срыва слежения, который может быть создан действием помехи внутрисистемного или внешнего происхожденияза тот же отрезок времени, который используется при расчете первого показателя. Методы анализа срыва слежения кратко изложены в учебниках [1], [2] и учебном пособии [5].

Очень часто показатели качества имеют противоречивый характер,т.е. уменьшение значения одного приводит к росту одного или нескольких других. Поэтому при проектировании следящих радиосистем возникает задача их оптимизации [4].