Введение к работе
Актуальность работы. Устройства автоматического регулирования широко применяются в различных радиотехнических системах для стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Примером являются спутниковые системы определения местоположения объектов, системы гражданской и военной радиолокации, системы подвижной радиосвязи.
Важность исследования и проектирования оптимальных систем автоматической подстройки частоты (сокращенно АПЧ) заключается в том, что ее параметры и характеристики в значительной степени определяют эффективность работы радиотехнической системы в целом. К разнообразным требованиям, предъявляемым к системам АПЧ, относятся: точность, полосы захвата и удержания, динамическая устойчивость, быстродействие и помехоустойчивость. Выполнение этих требований носит, как правило, противоречивый характер. Так, например, повышение быстродействия приводит к снижению динамической устойчивости и помехозащищенности системы.
Для получения высоких показателей по всем параметрам применяются двухкольцевые системы АПЧ. В них первое - широкополосное кольцо - обеспечивает большую полосу захвата, а второе - узкополосное - позволяет получить необходимую точность. При этом в первом кольце, как правило, используется частотная автоподстройка частоты (сокращенно ЧАП) с широкополосным дискриминатором; во втором кольце - система ЧАП с узкополосным дискриминатором или, когда требуется более высокая точность, система фазовой автоподстройки частоты (сокращенно ФАП). В результате выполнение противоречивых требований может быть функционально разделено между обоими кольцами.
Приведем два типичных примера использования двухкольцевых систем АПЧ. Первый пример - применение системы ЧАП-ФАП в доплеров-ских системах измерения скорости подвижных объектов путем высокоточного слежения за изменяющейся текущей фазой или частотой принимаемого сигнала на фоне шумовой помехи. При этом параметры цепи частотного управления выбираются так, чтобы колебания стабилизируемого генератора отслеживали медленные изменения частоты принимаемого сигнала и возможно слабо реагировали на быстрые изменения частоты, обусловленные действием шума.
Второй пример - применение двухкольцевых систем АПЧ, в частности ФАП-ФАП, в синтезаторах при формировании высокостабильной сетки частот. При этом благодаря АПЧ помимо синтеза частот обеспечивается низкая спектральная плотность фазовых шумов формируемого сигнала.
В известных работах исследование систем АПЧ обычно ограничивается системами не выше третьего порядка. Однако во многих случаях, особенно при применении двухкольцевых систем АПЧ, требуется провести анализ как линейных, так и нелинейных моделей более высокого порядка, что возможно только при помощи компьютерного моделирования. В зависимости от области применения и вида сигнала в цепи управления системы АПЧ могут быть непрерывного, импульсного и цифрового типа. Теория работы таких систем, особенно с учетом воздействия помех, и создание на ее основе инженерных методик их компьютерного проектирования до сих пор не является завершенной.
В связи с вышесказанным в диссертационной работе рассмотрены вопросы моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ с помощью современных компьютерных программ. При этом исследованы как линейные, так и нелинейные двухкольцевые системы АПЧ трех основных типов: аналогового, импульсного и цифрового.
Разработанный в рамках диссертационной работы целый комплекс компьютерных программ и проводимое на их основе моделирование позволяют исследовать влияние параметров звеньев системы АПЧ на ее основные характеристики и наглядно представить в виде таблиц и графиков динамические процессы, протекающие в двухкольцевых системах АПЧ различного типа и назначения. В результате удалось расширить круг решаемых задач в области радиоэлектронных систем автоматического управления, особенно при рассмотрении более сложных, нелинейных систем, в том числе систем с использованием активных и цифровых фильтров.
Разработанные компьютерные методы моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ и полученные на их основе результаты можно распространить на более широкий класс радиоэлектронных систем автоматического регулирования. Сказанное позволяет считать настоящую диссертационную работу актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ непрерывного, импульсного и цифрового типа на основе современных компьютерных программ в средах Mathcad и Matlab и использование этих программ при инженерном проектировании радиотехнических устройств.
Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик аналоговой двухколь-
цой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.
Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик импульсной двух-кольцой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.
Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик цифровой двухколь-цевой системы АПЧ.
Исследование аналоговых, импульсных и цифровых двухкольце-вых систем АПЧ с активными фильтрами высокого порядка.
Разработка алгоритмов и компьютерных программ для проведения анализа помехоустойчивости двухкольцевой системы АПЧ при действии детерминированной и стационарной случайной внутренней и внешней помехи.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались: численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка; теория случайных процессов; теория автоматического управления; методы анализа линейных и нелинейных, аналоговых, импульсных и цифровых радиотехнических цепей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. В развитии комплексного подхода к исследованию динамических
процессов в радиоэлектронных системах автоматического регулирования с
помощью комплекта компьютерных программ в средах Mathcad и Matlab.
2. В развитии комплексного подхода к исследованию помехоустой
чивости систем автоматического регулирования при действии внешней и
внутренней детерминированной и случайной стационарной помехи.
3. В предложении по использованию в системе ЧАП-ФАП эллипти
ческого фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ кольца ФАП, что позволяет
в целом оптимизировать систему по таким параметрам, как полоса захвата
и помехоустойчивость.
4. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютер
ных программ исследования динамических процессов и расчета основных
характеристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двух
кольцевой системы АПЧ.
5. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютер
ных программ исследования динамических процессов и расчета основных
характеристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двух
кольцевой системы АПЧ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обоснована целесообразность построения двухкольцевых систем
АПЧ, в которых осуществляется перемножение коэффициентов регулирования. При таком построении системы АПЧ одно кольцо обеспечивает увеличенную до двух и более раз полосу захвата, а другое - точность. В варианте ЧАП-ЧАП точность, определяемая остаточной расстройкой, может быть улучшена не менее чем в 100 раз.
Предложено применение эллиптического фильтра в качестве петлевого фильтра системы АПЧ, позволившее повысить помехоустойчивость на 12 и более децибел к внешней и внутренней детерминированной и стационарной случайной помехе.
Разработанные алгоритмы компьютерного анализа и расчета для аналоговой и импульсной двухкольцевых систем АПЧ позволили определить их быстродействие, точность оценки параметра и устойчивость.
Практическая ценность. Разработанные универсальные алгоритмы и расчетные программы в средах Mathcad и Matlab являются эффективным инструментом для моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ. Предложенные алгоритмы и комплекс компьютерных программ позволяют в значительной степени сократить объем работы и время проектирования и оптимизации систем АПЧ по сравнению с общеизвестными методами, особенно в тех случаях, когда рассматриваются системы высокого порядка. Наибольшую практическую ценность указанные алгоритмы и расчетные программы могут принести при проектировании и оптимизации систем АПЧ в приемно-передающих трактах спутниковых радионавигационных систем, например, ГЛОНАСС, и систем гражданской и военной радиолокации.
Проведенные испытания подтвердили на практике, что использование в двухкольцевых системах АПЧ эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ в узкополосном кольце позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом.
Следует также отметить, что разработанные алгоритмы и расчетные программы для двухкольцевых систем АПЧ могут быть использованы для расчета и исследования других систем автоматического регулирования.
Результаты работы внедрены:
в разработку абонентской навигационной аппаратуры ГНОНАСС/GPS в ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения» (имеется акт о внедрении);
в разработку опытно-конструкторских образцов быстродействующих малошумящих синтезаторов частот и производство систем «Перспектива» в ОАО «Концерн «Созвездие» (имеется акт о внедрении);
в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радио-
передающих устройств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (имеется акт о внедрении).
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях:
58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2009г. «Двухкольцевая автоматическая подстройка частоты».
59-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010г. «Импульсная двухкольцевая система автоматической подстройки частоты».
Международная научная школа для молодежи «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», 26-30 октября 2010г., г. Зеленоград. «Моделирование двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты в среде Matlab».
Международная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки - XXI век». 29 мая 2011г., г.Тамбов. «Импульсные системы автоматического регулирования».
60-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2011г. «Цифровая двухкольцевая система автоматической подстройки частоты».
Международная заочная научно-практическая конференция «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке». 31 января 2012г., г.Тамбов. «Цифровая система автоматического регулирования».
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 работ, 4 из которых в изданиях Перечня ВАК, 3 работы в трудах международных НТК, 2 в других научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, восьми приложений и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрирована 37 рисунками, список литературы включает 48 наименований.
