По данным табл.1 определить коэффициент передачи фазового детектора

Кафедра 41

ИССЛЕДОВАНИЕ САМОЛЕТНОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ЦЕЛИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ

ЛР6

методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу "Радиоавтоматика"

 

 

Санкт-Петербург

 2000

 

ИССЛЕДОВАНИЕ САМОЛЕТНОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ЦЕЛИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ

Цель работы: изучение принципа действия и устройства системы автоматического сопровождения по направлению (АСН) и исследова­ние переходного и установившегося режимов работы этой системы.

1. Методические указания.

Следящая система автоматического сопровождения цели по нап­равлению предназначена для автоматического (т.е. без участия че­ловека-оператора) слежения за целью. В режиме слежения антенна направлена на цель, поэтому следящая система является также изме­рителем угловых координат подвижных целей.

1.1. Структурная схема.

В лабораторной работе исследуется система с коническим ска­нированием диаграммы направленности антенны. Ее структурная схе­ма изображена на рис.1 а.

Приемно-передающая антенна имеет иглообразную форму диаграм­мы направленности. Ширина диаграммы направленности по уровню по­ловинной мощности составляет несколько градусов. Диаграмма направ­ленности антенны вращается относительно некоторой оси. Вращение (сканирование) диаграммы направленности происходит с постоянной круговой частотой W_ск.

Вращение антенны осуществляется двигателем сканирования (ДС), скорость вращения которого стабилизируется специальной си­стемой.

В рассматриваемой схеме сканирование происходит за счет вра­щения рефлектора (отражателя) антенны. Ось вращения рефлектора смещена относительно максимума диаграммы направленности (относи­тельно оси симметрии рефлектора.) на некоторый угол.

На рис.1.а условно изображены два крайних (верхнее и нижнее) положения, которые занимает диаграмма направленности при сканиро­вании. Для упрощения будем считать, что цель Ц расположена в плоскости чертежа, как показано на pиc.l.a. Тогда в точке приема О плотность потока мощности электромагнитной волны, отраженной от цели, будет максимальна, в те моменты времени, когда диаграмма на­правленности занимает верхнее положение, и минимальное, когда ди­аграмма. направленности занимает нижнее положение. При всех проме­жуточных положениях диаграммы направленности антенны она принима­ет промежуточное значение. Отношение максимального значения плот­ности потока мощности электромагнитной волны к минимальному про­порционально отношению длин отрезков ОА1 и ОБ1.

Для импульсной радиолокационной станции на входе приемного устройства (ПУ) эпюра напряжения U_пy имеет вид, изображенный на рис.1.6. Это напряжение представляет собой короткие радиоимпульсы, модулированные по амплитуде.

Таким образом, сканирование диаграммы направленности приво­дит к амплитудной модуляции радиоимпульсов. Огибающая отраженных от цели радиоимпульсов по форме близка к синусоиде, а частота огибающей равна частоте сканирования W_ск.

Из рис.1.a следует, что при увеличении угла 5 между осью вра­щения диаграммы направленности и направлением на цель, увеличива­ется отношение длин отрезков ОА и ОБ, если d>0 и уменьшается, ес­ли d<0. Следовательно, глубина модуляции и фаза огибающей ради­оимпульсов будут зависеть от угла d. При совпадении направления на цель с осью вращения диаграммы направленности амплитудная мо­дуляция исчезает. Поэтому ось вращения диаграммы направленности называют равносигнальным направлением (РН).

Принятые антенной радиоимпульсы поступают в приемное уст­ройство, где они дважды детектируются. После первого детектирова­ния получаются модулированные по амплитуде видеоимпульсы, а после второго - напряжение ошибки U_oш, которое представляет собой оги­бающую отраженных от цели радиосигналов.

Следящая система состоит из двух идентичных каналов: азимута и наклона. Входным сигналом каждого из каналов является одно и тоже напряжение ошибки U_ош которое содержит информацию о вели­чине и знаке угла отклонения цели по азимуту и наклону.

Опорные напряжения вырабатываются генератором опорных напря­жений (ГОН). Конструктивно генератор опорных напряжений выполнен в виде двух постоянных магнитов, укрепленных на вращающемся реф­лекторе под углом 180 градусов. друг к другу и двух катушек, имеющих Ферромагнитные сердечники с зазорами, которые установлены на ста­ционарной, не вращающейся, части антенны. Оси катушек сдвинуты на 90 градусов. При сканировании магниты, проходя мимо катушек, индуци­руют в них короткие импульсы, которые управляют работой генерато­ра опорного напряжения (ТОН) каналов наклона и азимута. Напряжения сдвинуты друг относительно друга на четверть периода сканирова­ния. Опорное напряжение наклона положительно в течении времени, когда диаграмма направленности находится выше горизонтали и отри­цательно в противоположном случае. Опорное напряжение азимута по­ложительно, когда диаграмма направленности находится справа от вертикали и отрицательно, когда диаграмма направленности нахо­дится слева.

Напряжение ошибки и опорные напряжения поступают на фазовые детекторы каналов наклона и азимута. Ввиду идентичности каналов, достаточно рассмотреть работу одного из них, например канала наклона.

Фазовый детектор канала наклона (ФД_н), сравнивая напряжение ошибки U_ош и опорное напряжение U_н, вырабатывает постоянное напряжение U_ун = const., величина которого пропорциональна ампли­туде напряжения ошибки и синусу угла фазового сдвига между напря­жением ошибки и первой гармоникой опорного напряжения U_н. На рис.1.б изображены диаграммы напряжений ошибки для трех целей. Распо­ложение целей Ц1, Ц2, ЦЗ в пространстве поясняется рис.1.в, где окружность представляет собой след максимума диаграммы направ­ленности, а ее центр - след равносигнального направления на плоскости, перпендикулярной оси вращения рефлектора и проходящей через одну из целей. Для трех целей имеем различные амплитуды напряжения ошибки и различные фазовые сдвиги между напряжением ошибки и опорными напряжениями каналов наклона и азимута.

С выхода фазового детектора напряжение U_ун=const поступает на усилитель (У_н), а затем - на исполнительный двигатель (ИД_н). Исполнительный двигатель через редуктор (Р_н) и карданный подвес (КП) поворачивает антенну в вертикальной плоскости. При повороте антенны рзвносигнальное направление перемещается до полного сов­падения с направлением на цель. Система приходит в равновесие, так как радиоимпульсы теперь имеют одинаковую амплитуду и напря­жение ошибки равно нулю.

Канал азимута работает аналогично. Карданный подвес обеспе­чивает возможность раздельного управления положением антенны по азимуту и наклону.

Если цель маневрирует, ее угловые координаты изменяются во времени. Однако ввиду высокого быстродействия следящей системы равное сигнальное направление с точностью до величины ошибки сопро­вождения совпадает с направлением на цель.

1.2. Система автоматического сопровождения цели по направлению как замкнутая автоматическая следящая система.

Введем понятие задающего воздействия, управляемой величины и ошибки автоматической системы. В самолетной следящей системе удобно использовать систему координат, совпадающую с продольной, поперечной и вертикальной осями самолета. На рис.1.а обозначим:

ОХ - продольная ось,   J_вх - задающее воздействие (угол наклона цели),  J_вых - управляемая величина (угол наклона равносигнального направления), d - ошибка (рассогласование).

Чувствительным элементом системы является антенна совместно с приемным устройством, выходным сигналом которого является нап­ряжение ошибки. Если ошибка системы изменяется по величине и зна­ку, то и напряжение ошибки изменяется по амплитуде и фазе. Причем для сравнительно малых значений ошибки преобразование угла рас­согласования в напряжение ошибки является линейным и происходит практически без запаздывания, поэтому чувствительный элемент (пеленгационное устройство) можно считать линейным безынерционным динамическим звеном с коэффициентом передачи К_пу (В/град).

Рассматривая уравнения динамики остальных элементов функцио­нальной схемы: фазового детектора, усилителя, исполнительного двигателя, редуктора, цепи корректирующей обратной связи, а также учитывая схему соединения элементов, можно составить структурную схему системы.

2. Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка состоит из следующих основных уст­ройств:

- датчики команд (по наклону и азимуту);

- электронный блок усиления и преобразования напряжения ошибки и сигнала корректирующей обратной связи;

- электромашинные усилители;

- антенный блок (электромеханическое устройство), включающий антенну в карданном подвесе, исполнительные двигатели и редукторы наклона и азимута, датчики углового положения антенны, двигатель сканирования, генераторы опорных напряжений;

- измерительные приборы: вольтметры, миллиамперметры, ос­циллограф и источник питания.

Вся лабораторная установка, за исключением датчика команд и измерительных приборов, состоит из блоков самолетного радиолока­ционного прицела РП-1.

Рассмотрим кратко работу отдельных элементов исследуемой системы [1,с.83-85]. Ввиду идентичности каналов рассмотрим рабо­ту канала наклона.

Измерительное устройство лабораторной установки позволяет имитировать напряжение ошибки отдельно для каналов наклона и ази­мута, то есть каждый из каналов имеет свое измерительное  уст­ройство. Оно построено на двух сельсинах, из которых один уста­новлен на соответствующей оси антенны, а второй выполняет роль датчика команды по данному направлению. Питание измерительного устройства осуществляется со стороны сельсина, соединенного с осью антенны, а напряжение частоты 400 Гц снимается с ротора сельсина-датчика команды.

Фазовый детектор преобразует напряжение ошибки в постоянное управляющее напряжение. В лабораторной установке напряжения ошиб­ки по каналам азимута и наклона задаются раздельно, поэтому фазо­вый сдвиг между опорным напряжением и напряжением ошибки состав­ляет 0 или 180 градусов, в то время как в реальной системе он мо­жет принимать любое значение. Опорное напряжение создается триг­гером, запускаемым напряжением 40 В, 400 Гц. Опорное напряжение с выхода триггера поступает на фазовый детектор, на который также поступает напряжение ошибки. Для сглаживания пульсации выходного напряжения фазового детектора используется фильтр, состоящий из Rl; Cl; R2; С2 и представляющий собой апериодическое звено пер­вого порядка с коэффициентом передачи, равным единице и с посто­янной времени Т_ф = R×C, где R = 30 кОм, С = 0,5 мкф.

Усилитель постоянного тока собран по дифференциальной схеме, выходным сигналом которой является разностный (управляющий) ток I_у

Нагрузкой усилителя постоянного тока служат управляющие об­мотки электромашинного усилителя ОУ1 и ОУ2.

Электромашинный усилитель (ЭМУ) предназначен для усиления сигнала постоянного тока по мощности. Конструктивно он оформлен в виде отдельного блока. Величина и знак выходного напряжения электромашинного усилителя зависят от величины и знака управляю­щего тока I_у. Нагрузкой является якорная цепь иополнительного двигателя М2, цепь питания приводного двигателя ЭМУ не показана.

Исполнительным двигателем рассматриваемой системы является двигатель постоянного тока М2, обмотка возбуждения которого под­ключена к постоянному напряжению 27 В. Знак и величина скорости вращения двигателя определяются знаком и величиной напряжения на выходе электромашинного усилителя.

Редуктор передает вращение двигателя к антенне. При этом скорость вращения понижается в 3696 раз.

Корректирующая обратная связь предназначена для повышения качества системы. Используемая в системе отрицательная обратная связь является гибкой, то есть работает только в переходном режи­ме.

Корректирующая цепь состоит из тахометрического моста, филь­тра нижних частот R7-C7, дифференцирующей цепи R3-(C4-C6). Тахометрический мост образован сопротивлениями обмотки компенсации ОК электромашинного усилителя, обмотки якоря исполнительного двига­теля и резисторами R4 и R6. Напряжение обратной связи снимается с диагонали моста и через делитель на резисторах R5,R8 подается на фильтр нижних частот R7-C7. Мост балансируется при наличии тока в цепи обмотки якоря и при заторможенном якоре. Как только якорь двигателя приходит в движение, появляется обратная Э.Д.С. якоря и в диагонали моста возникает пропорциональное ей напряжение.

Условие баланса моста:

 

                                                                   

где R_ок - сопротивление обмотки компенсации;

R_я - сопротивление якорной обмотки.

 

Напряжение тахометрического моста [1] равно:

 

где С_е - конструктивная постоянная двигателя.

Конденсатор С8 предназначен для устранения искрения под щет­ками двигателя. Фильтр нижних частот R7-C7 предназначен для уст­ранения пульсации напряжений, вызванных наличием коллекторов электромашинного усилителя и исполнительного двигателя, а также шумовых напряжений; граничная частота фильтра 4 Гц.

Дифференцирующая цепь R3-(С4-С6) работает в диапазоне частот от нуля до 4 Гц. Ее выходное напряжение в этом диапазоне частот пропорционально производной от напряжения тахометрического моста, то есть пропорционально ускорению вращения двигателя. Если ско­рость вращения  двигателя постоянна, ускорение равно нулю и об­ратная связь не действует.

Рассмотрим случай возникновения незатухающих колебаний час­тоты W_п в переходном процессе при отключенной обратной связи. Включим гибкую отрицательную обратную связь. Если напряжение, поступающее на исполнительный двигатель гармоническое U_дв=АSinW_пt, то напряжение обратной связи, приведенное ко входу двигателя, бу­дет иметь вид U_oc=-А¹CosW_пt, где А и А¹ - амплитуды гармонических колебаний. На рис. 3 изображены напряжения U_дв и U_oc. Они имеют фазовый сдвиг -90 град. К моменту изменения знака напряжения на двигателе напряжение обратной связи достигает максимума. Оно яв­ляется тормозящим, то есть препятствующим переходу через положе­ние равновесия. Таким образом это напряжение будет гасить колеба­ния, вызванные инерционностью движущихся масс. Оптимальное соот­ношение амплитуд А и А¹ обоих сигналов достигается выбором пара­метров цепи обратной связи. Переключатель S2 позволяет выбирать одно из трех значений емкости дифференцирующей цепочки.

Изменяя условия баланса тахометрического моста (1), можно влиять на характер зависимости (2). При этом в выходном напряже­нии тахометрического моста появляется составляющая, пропорцио­нальная ускорению движения якоря исполнительного двигателя [1], то есть корректирующая обратная связь будет создавать сигнал, пропорциональный скорости и ускорению угла рассогласования.

Качество работы системы АСН может быть оценено показателями точности, запаса устойчивости и быстродействия.  Точность системы обычно оценивается величиной установившейся ошибки в типовом ре­жиме движения цели. Для астатических систем первого порядка, ка­кой является система АСН, оценку точности целесообразно прово­дить по величине скоростной ошибки

 

 

где      W_ц - угловая скорость движения цели,

k1 - добротность следящей системы по скорости.

Запас устойчивости и быстродействие системы наиболее просто и наглядно могут быть оценены по ее переходной характеристике [2]. Типичная переходная характеристика системы АСН J_вых(t) изоб­ражена на рис.4. Показателем запаса устойчивости может служить величина перерегулирования

 

 

 

 

а показателем быстродействия - время переходного процесса tп.

Процесс считается установившимся, если отклонение регулируе­мой величиныJ_вых от ее установившегося значения не превышает по модулю 1...5% величины J_вых

В лабораторной установке отсутствуют точные шкалы отсчета задающего воздействия J_вх и управляемой величиныJ_вых, поэтому оценку качества системы удобно выполнить по временной функции ошибки системы при скачкообразном изменении задающего воздействия

d(t)= J_вх (t)- J_вых(t)

График функции приведен на рис.5. Осциллограмму напряжения ошибки можно снять, подключив осциллограф параллельно вольтметру PV1 и подавая скачок напряжения в момент замыкания тумблера S1. При этом величина скачка напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т2, имитирующего скачок задающего воздействияJ_вх, будет

U_вх = K1J_вх,(В), где K1 - коэффициент передачи измеритель­ного устройства с трансформатором Т1 в В/град., Jвх - величина скачка задающего воздействия в градусах.

Следует иметь в виду, что на выходе измерительного устройст­ва имеем модулированный сигнал с частотой несущей, равной 400 Гц, поэтому осциллограмма отличается от  кривой, изображенной на рис.5. Осциллограмма напряжения на выходе сглаживающего фильтра Фазового детектора более точно совпадает по форме с кривой d(t).

Некоторые отличия, вызванные влиянием инерционности фильтра практически можно не учитывать ввиду малой постоянной времени T_ф=0.015 с.

Рассмотрим причины, влияющие на качество работы системы АСН и меры, принятые для повышения запаса устойчивости, точности и быстродействия,

Причина колебательного характера процесса кроется в следую­щем. Малое требуемое время обработки рассогласования, то есть высокое быстродействие системы приводит к тому, что механизм, в состав которого входят исполнительный двигатель, редуктор, кар­данный подвес и антенна, работает с большой скоростью. За счет инерции движущихся масс происходит переход выходной оси через по­ложение равновесия. Появляется рассогласование противоположного знака. При новом подходе к положению равновесия процесс повторя­ется и приобретает колебательный характер. Практически допустимым с точки зрения быстродействия и запаса устойчивости является про­цесс, имеющий пере регулирование, равное 10...30% и одно-два коле­бания в течение времени переходного процесса [2].

3. Порядок выполнения работы.

1. Изучить расположение органов управления и измерительных приборов на передней панели лабораторной установки.

2. Снять обтекатель антенны и определить, где расположены исполнительные двигатели и редукторы каналов наклона и азимута, двигатель сканирования, карданный подвес, генераторы опорных нап­ряжений, рефлектор и излучатель антенны. Вращая от руки рефлек­тор, обратить внимание на положение оси его вращения относительно его геометрической оси.

3. Включить питание 115 В, 400 Гц и, после прогрева аппара­туры, включить питание двигателей (27 В постоянного тока). Вращая штурвал каналов наклона и азимута, убедиться в работоспособности системы. При вращении штурвалов следует иметь в виду, что зона слежения ограничена углом ±12 град.

3.1. Исследование переходного режима системы.

1. Подключить осциллограф к выходу фильтра нижних частот фа­зового дискриминатора одного из каналов системы сопровождения.

2. Установить переключателем S2 значение емкости конденсато­ра дифференцирующей цепи в корректирующей обратной связи С=4 мкФ

3. Включить тумблер S1. наблюдать и зарисовать осциллограмму переходного процесса в системе. Вычислить по осциллограмме вели­чину перерегулирования и время переходного процесса.

4. Установить переключателем S2 другие значения емкости кон­денсатора дифференцирующей цепи (2 мкФ и 1 мкФ), а также размыкая дифференцирующую цепь, снять осциллограммы переходных процессов и выполнить вычисления, указанные в п.З.

3.2. Определение добротности следящей системы.

1. Разомкнуть систему, отключив напряжение 27 В.

2. Опредеделить коэффициент передачи измерительного уст­ройства (углового электромеханического дискриминатора). Для это­го, вращая штурвал сельсина -датчика канала наклона, определить максимальное значение напряжения ошибки U_emax- Так как зависи­мость между напряжением ошибки и углом рассогласования синусоида­льная, то зная Uemax. найдем коэффициент передачи дискриминатора

k1 = 2p/360 U_emax ⁼ U_emax/57.3, (В /Град).

3. Определить коэффициенты передачи фазового детектора и усилителя постоянного тока. Для этого, изменяя напряжение ошибки Ue поворотом штурвала сельсина-датчика в пределах ±ЗВ через каж­дые 0,5 В, измерить соответствующие значения напряжения U_y на вы­ходе фазового детектора и токов i1 и i2 на выходе усилителя по­стоянного тока и вычислить разностный ток i_у=i1-i2. Результаты измерений внести в табл.1.

Таблица 1.

Ue,B	0	0.5	1.0	1.5	2	2.5	3
Uy,B
I1,mA
I2,mA
Iy,mA
Ue,B	0	-0.5	-1.0	-1.5	-2	-2.5	-3
Uy,B
I1,mA
I2,mA
Iy,mA

 

При этом следует иметь в виду, что напряжение ошибки U_е -это напряжение переменного тока, изменение знака которого озна­чает изменение на 180 град. фазового сдвига этого напряжения от­носительно опорного напряжения фазового детектора и фиксируется вольтметром на выходе фазового детектора.

По данным табл.1 определить коэффициент передачи фазового детектора

k2 = U_y / U_e,

и коэффициент передачи усилителя постоянного тока

kЗ = i_y / U_y, mA/B.

 

Коэффициент передачи усилителя мощности оставляет

k4 = 5 В/мА.

4.Рассчитать коэффициент передачи исполнительного двигателя по паспортным данным:

- номинальное напряжение якоря   U_д = 60 В

- ток якоря при номинальной нагрузке i_д = 0,35 А

- номинальная скорость вращения якоря n = 6000 об/мин

Коэффициент передачи двигателя определяется выражением

k5 = Wдв/Uд ⁼ З60n / 60Uд, град/с В

5. Коэффициент передачи редуктора, связывающего отражатель антенны с ротором сельсина

k6 = 11.

6. Коэффициент передачи редуктора на выходе исполнительного двигателя

k7 = 1/3700.

7. Определить добротность следящей системы

К1 = k1 × k2 × kЗ × k4 × k5 × k6 × k7, 1/с.

8. Оценить точность системы, определив скоростную ошибку при значениях угловой скорости движущегося объекта W_ц=3 град/с и W_ц = 10 град/с.

 

4. Содержание отчета.

1. Структурная схема одного канала следящей системы АСН.

2. Таблица 1 и графики.

3. Расчет коэффициентов передачи звеньев, расчет добротности и скоростной ошибки системы.

4. Осциллограмма переходного процесса с результатами опреде­ления его параметров.

5. Выводы по проделанной работе.

 

5. Контрольные вопросы.

1. Каково назначение система ДСН?

2. Что является задающим воздействием для каждого из двух каналов сопровождения системы ДСК?

3. Как происходит образование сигнала ошибки в реальной системе?

4. Как имитируется сигнал ошибки в лабораторной установке?

5.В каких параметрах напряжения ошибки заложена информация об угловых координатах движущегося объекта?

6. Объясните работу системы АСН по ее структурной схеме?

7. Каково назначение генератора опорных напряжений в системе АСН?

8. Какими показателями качества можно оценить работу системы АСН; каковы значения этих показателей у исследованной системы (по результатам эксперимента)?                           

9. Как в системе АСН реализуется цепь главной обратной связи?

10.Каково назначение и принцип действия корректирующей об­ратной связи в системе АСН?

11.Каково влияние цепи корректирующей обратной связи на ха­рактеристики системы АСН (по результатам эксперимента)?

12.Что такое добротность по скорости. Как она определяется экспериментально?

13.Как влияет величина добротности на показатели качества следящей системы?

 

Литература.

 

1. Артамонов В.М. Следящие системы радиолокационных станций автоматического сопровождения и управления. Л.: Судостроение, 1969, стр. 12 - 18, 46 - 52, 400 - 404.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972, стр. 210 - 212.

 

Рис.1.

 

Рис.2.

Рис.3.

Рис4.

 

Рис.5.