Радиотехника: нелинейные и импульсные системы

Теория автоматического регулирования (ТАУ) в той или иной форме изучается на большинстве технических кафедр высших учебных заведений и находит практическое применение при решении многих актуальных технических задач, таких как: настройка многоконтурных скоростных и позиционных электроприводов, высокоинерционные процессы температурного регулирования, системы регулирования расхода и уровня, обработка и передача данных в радиотехнике и радиоавтоматике.

В практике применения ТАУ при настройке большинства скоростных общепромышленных электроприводов преобладает подход, заключающийся в представлении всех элементов силовой и информационной части электроприводов в качестве сочетания типовых динамических звеньев первого порядка — интегратора, усилителя, апериодического звена, реально-дифференцирующего звена и др. Этот подход позволяет обеспечить быстрый и достаточно верный результат, и в большинстве случаев оправдан.

Вместе с тем при решении задач обработки и передачи информации в системах радиоавтоматики невозможно обойтись без нелинейных и импульсных звеньев. Среди звеньев, изучение и понимание характеристик которых важно при решении задач радиоавтоматики, можно выделить следующие:

• блок ограничения (рис. 1а);
• зону нечувствительности (рис. 1б);
• релейный элемент с зоной гистерезиса (рис. 1в);
• фиксатор нулевого порядка (рис. 1г);
• фиксатор первого порядка (рис. 1д);
• звено чистого запаздывания (рис. 1е).

Рис. 1. Статические и переходные характеристики импульсных и нелинейных звеньев

Поскольку современное высшее профессиональное образование предъявляет к бакалаврам и магистрам требования по обладанию компетенциями в области нелинейных и импульсных систем, а учебный процесс невозможен без проведения лабораторных работ, в ООО НПП «Учтех-Профи» была разработана линейка лабораторных стендов «Радиоавтоматика». Эта группа стендов является продолжением линейки лабораторных стендов «Теория автоматического управления», впервые созданной и разработанной специалистами ООО НПП «Учтех-Профи» (г. Челябинск) [1].

«Радиоавтоматика — линейные непрерывные системы»

На рис. 2 показан внешний вид лицевой панели стенда «Радиоавтоматика — линейные непрерывные системы».

Рис. 2. Лицевая панель стенда «Радиоавтоматика — линейные непрерывные системы»

Лабораторный стенд представляет собой моноблок настольного исполнения, содержащий набор изучаемых звеньев с регулируемыми параметрами, а также оборудование для подачи и измерения сигналов при проведении опытов в ручном или автоматическом режимах работы.

В состав стенда входят следующие звенья:

• усилитель W(p) = k;
• интегратор W(p) = 1/Tp;
• дифференциатор W(p) = Tp;
• апериодическое звено первого порядка W(p) = k/(1+Tp);
• изодромное звено W(p) = (1+kTp)/Tp;
• реально-дифференцирующее звено W(p) = kTp/(1+Tp);
• реально-форсирующее звено W(p) = 1+T₁p/(1+T₂p).

Для исследования звеньев, а также разомкнутых и замкнутых систем на их основе, стенд имеет удобное наборное поле, содержащее посадочные места для звеньев, двухвходовые сумматоры с изменяемым знаком по одному из входов. Также наборное поле содержит «черный ящик» — звено W_x(p), параметры которого изменяются специальным блоком переключателей, недоступным студентам. С помощью этого блока преподаватель задает тип передаточной характеристики звена W_x(p), а студент должен вычислить его параметры и нарисовать переходную и частотную характеристику звена.

В стенде расположен разработанный в ООО НПП «Учтех-Профи» микропроцессорный блок снятия частотных характеристик «Измеритель АЧХ», который состоит из двух взаимосвязанных компонентов: генератора сигналов и измерителя. Принцип работы прибора состоит в подаче на исследуемый объект гармонического сигнала известной частоты и амплитуды и измерении сигнала на выходе системы. Далее микропроцессорный блок производит измерение задающего и возмущающего воздействий, на основании чего рассчитывается активная и реактивная составляющие выходного сигнала системы.

Имея показания данного измерителя, студент путем несложных вычислений может построить АЧХ и ФЧХ системы. Микропроцессорный измеритель АЧХ лабораторного стенда имеет следующие параметры:

• тип задающего сигнала — синус, прямоугольник, треугольник;
• напряжение задающего сигнала ~0–10 В;
• напряжение смещения задающего сигнала –10–0–10 В;
• частота задающего сигнала 2–30 000 рад/с.

Лабораторный стенд поставляется как в ручной (с цифровым осциллографом), так и в компьютеризированной версии (рис. 5). В компьютеризированной версии компьютер выполняет функции восьмиканального осциллографа, имеет возможность задания аналоговых сигналов управления фиксированной или произвольной формы, осуществляет функции самописца.

Рис. 5. Стенды «Радиоавтоматика»:
а) ручное исполнение;
б) компьютерное исполнение

Эти возможности реализованы в стенде путем использования уникальной разработки инженеров «Учтех-Профи» — программно-аппаратного комплекса Delta Profi, имеющего следующие особенности:

• осциллографирование одновременно не менее 16 периодических сигналов с частотой выборки не менее 200 кГц;
• регистрация мгновенных и усредненных сигналов с помощью виртуальных приборов с частотой выборки сигналов не менее 200 кГц и длительностью не менее 5 мин;
• минимальный перечень требуемых виртуальных приборов — амперметры постоянного и переменного тока, вольтметры постоянного и переменного тока, ваттметры, варметры, частотомеры, фазометры;
• одновременный вывод на экран не менее 16 виртуальных приборов;
• количество каналов аналогового ввода не менее восьми;
• количество каналов аналогового вывода не менее двух;
• автоматизация проведения экспериментов;
• автоматическое снятие функциональных зависимостей и фазовых траекторий;
• отображение интерактивных функциональных схем выполнения экспериментов (мнемосхем) с индикацией сигналов и управлением системой;
• реализация режима передачи сигналов 2IO-Link;
• измерение показателей качества электрической энергии.

«Радиоавтоматика — импульсные и нелинейные системы»

На рис. 3 показан внешний вид стенда «Радиоавтоматика — импульсные и нелинейные системы».

Рис. 3. Лицевая панель стенда «Радиоавтоматика — импульсные и нелинейные системы»

Стенд построен по той же идеологии, что и вышеописанный стенд по изучению непрерывных линейных систем. Он также оснащен микропроцессорным блоком «Измеритель АЧХ», наборным полем для сборки сложных систем, программно-аппаратным комплексом Delta Profi.

Отличием стенда является то, что в его состав входит набор нелинейных и импульсных звеньев с регулируемыми параметрами: звено чистого запаздывания W(p) = e^—tp, блок ограничения, зона нечувствительности, релейный элемент, фиксаторы нулевого и первого порядка, «корень квадратный». Реальные переходные процессы звеньев приведены на рис. 4.

Рис. 4. Статические и переходные характеристики звеньев, снятые на стенде «Радиоавтоматика — нелинейные и импульсные системы»:
а) блок ограничения;
б) зона нечувствительности;
в) релейный элемент;
г) корень квадратный;
д) фиксатор нулевого порядка; е) фиксатор первого порядка;
ж) звено чистого запаздывания

Важной особенностью стендов является отсутствие на лицевой панели электрических схем. Звенья представлены максимально просто, что позволяет использовать стенды не только специалистам электротехнических кафедр вузов, но и студентам других направлений образования.

Особый интерес представляют звенья «Фиксатор нулевого порядка» и «Фиксатор первого порядка». На рис. 4д, е наглядно показано, что в случае подачи гармонического сигнала на вход обоих звеньев фиксатор нулевого порядка дает существенное запаздывание по фазе, в то время как фиксатор первого порядка практически точно повторяет входной сигнал как по амплитуде, так и по фазе. При проведении лабораторных работ важно снять характеристики звеньев с разной дискретизацией, а также произвести синтез и исследование комбинированных систем, содержащих линейные непрерывные и импульсные звенья.

Таким образом, созданием лабораторных стендов «Радиоавтоматика» ООО НПП «Учтех-Профи» продолжает развитие перспективного направления «Теория автоматического управления», позволяющего студентам электротехнических и не электротехнических специальностей вузов провести базовый курс лабораторных работ по изучению основ ТАУ линейных, а также импульсных и нелинейных систем, исследованию методов коррекции и построения замкнутых систем автоматического управления.