Реферат: Анализ случайных процессов в линейных системах радиоэлектронных следящих систем

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РТС

РЕФЕРАТ

На тему:

«Анализ случайных процессов в линейных системах радиоэлектронных следящих систем»

МИНСК, 2008

Определение статистических характеристик случайных процессов в линейных системах

Задающее воздействие />и внутренние возмущения (флуктуации частоты, фазы, задержки) являются случайными процессами с нормальным законом распределения, который не изменяется при прохождении процессов через линейные цепи. Флюктуационная составляющая напряжения на выходе дискриминатора />(t) также процесс случайный, и хотя не всегда имеет нормальный закон распределения, но при прохождении через последующие узкополосные линейные цепи нормализуется.

Случайный процесс с нормальным законом распределения определяется математическим ожиданием и корреляционной функцией. Методы определения математического ожидания рассмотрены в предыдущем разделе. Рассмотрим методы определения корреляционной функции и связанной с ней дисперсией случайных процессов.

Спектральная плотность процесса на выходе и входе линейной системы связаны зависимостью

/>,

где /> — частотная передаточная функция системы;

/> — спектральная плотность процесса на входе.

Преобразовав по Фурье правую и левую часть можно определить корреляционную функцию:

/>.

Дисперсия случайного процесса на выходе линейной системы:

/>(1)

или:

/>, (2)

где Sv(w) –двусторонняя спектральная плотность процесса на выходе системы.

При использовании односторонней спектральной плотности N(f) выражение (2) может быть записано в виде:

/>,

где />; />.

Расчет дисперсии случайного процесса с помощью стандартных интегралов

Для упрощения вычисления интеграла (6.1) его приводят к стандартному виду:

/>,

где />─ полином четной степени частоты/>;

/> — полином, корни которого принадлежат верхней полуплоскости комплексной переменной/>; n – степень полинома/>.

Вычисление производят по формулам:

/>; />; />.

При n>3 формулы для расчетов можно найти в справочнике.

Условие применения стандартных интегралов: полином под интегралом должен быть дробно-рациональной функцией переменной/>и система должна быть устойчивой.

Рассмотрим пример расчета дисперсии ошибки слежения в системе, представленной структурной схемой (рис.1).

/>

Рис.1. К примеру расчета дисперсии ошибки слежения.

Исходные данные:

/>─ флюктуационная составляющая, определяемая спектральной плотностью />.

Рассчитаем дисперсию ошибки слежения по формуле дисперсию по формуле:

/>.

Передаточная функция от воздействия к ошибке

/>;

/>; />.

Выполним расчет:

/>;

/>;

/>; />;

/>; />; />; />; />;

/>. (3)

Приведем />ко входу дискриминатора и упростим выражение (3)

/>, (4)

где />; /> — спектр приведенного ко входу дискриминатора случайного процесса.

Таким образом, дисперсия ошибки слежения пропорциональна коэффициенту усиления разомкнутого контура следящей системы и спектральной плотности флюктуационной составляющей.

Если вместо пропорционально-интегрирующего фильтра использовать интегратор, то: />, и

/>;

Если на вход инерционного звена с передаточной функцией

/>

подать шум со спектральной плотностью />, то дисперсия на выходе будет равна

/>;

Таким образом шум вызывает одинаковый эффект на выходе инерционной цепи и в следящих системах, содержащих одно интегрирующее звено с добротностью, обратной постоянной времени />.

Если следящая система содержит в качестве фильтра последовательное соединение инерционного звена и интегратора, то в этом случае

/>; />; />; />.

Следовательно, постоянная времени инерционного звена не влияет на величину флюктуационной ошибки (дисперсию). Это объясняется тем, что при увеличении />инерционного звена сужается полоса системы, но одновременно увеличивается максимум АЧХ, а площади под кривыми не изменяются (рис.2).

/>

Рис.2. Зависимость АЧХ от постоянной времени инерционного звена.

Используя (4) можно оптимизировать параметры системы, в частности />по критерию минимума флюктуационной ошибки. С этой целью продифференцируем (6.4) по />и приравняем производную нулю.

/>/>;

/>;

/>;

/>; />;

при />; />;

Подставив />в (4), получим

/>,

где /> — собственная частота следящей системы.

Если задающее воздействие представлено спектральной плотностью неточность его воспроизведения также оценивается дисперсией. Рассмотрим пример (рис.3).

/>

Рис.3

Пусть />; />,

где />─ дисперсия задающего воздействия;

/> — параметр, определяющий ширину спектра.

Определим величину дисперсии ошибки слежения />, обусловленную неточностью воспроизведения задающего воздействия.

/>;

/>,

где/>; /> — коэффициент передачи интегратора;

/> — крутизна дискриминационной характеристики.

/>; />;

приведем выражение к стандартному виду:

/>;

/>(jw) =(/>+jw) (Kv+jw) =(jw) 2 +(/>+Kv) jw+/>Kv;

/>; />;

/>; />; />; />;

/>; />;

При увеличении />/>уменьшается, в то время как в первом примере />увеличивается.

Эквивалентная шумовая полоса следящих систем

Под эквивалентной шумовой полосой следящей системы понимают полосу пропускания эквивалентной системы, имеющей прямоугольную АЧХ, одинаковое с исходной системой ее значение на нулевой частоте и одинаковую дисперсию на выходе при воздействии на входы систем белого шума (рис.4).

/>

--PAGE_BREAK--

Рис.4. АЧХ исходной и эквивалентной систем.

Чтобы определить полосу пропускания />используем условие равенства дисперсий:

/>

Отсюда

/>.

Использование значения эквивалентной шумовой полосы позволяет упростить вычисление дисперсии:

/>; />.

Если />, то />, или />,

где />─ односторонняя спектральная плотность.

Формулы для расчета эквивалентной шумовой полосы систем приведены в табл.1

Таблица 1. Формулы для расчета эквивалентной шумовой полосы.

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

Оптимизация параметров следящих систем

Для решения задачи оптимизации необходимо определить структуру системы, предъявляемые требования и ограничения, накладываемые на систему, описать воздействия и возмущения, выбрать критерий оптимизации и метод.

Оптимизируем параметры kи2 и T1 в системе (рис.5), в которой задающее воздействие λ(t) – детерминированная функция, а возмущение ─ случайный процесс ξ(t).

В качестве критерия оптимизации используем критерий минимума среднего квадрата ошибки:

/>; (5)

где /> — квадрат математического ожидания ошибки слежения.

/>

Рис.5. Структурная схема оптимизируемой системы.

Исходные данные:

/>; />.

Необходимо определить />и />по критерию (5).

Величина математического ожидания (динамической ошибки) определяется выражением

/>.

Величина дисперсии ошибки:

/>

/>. (6)

Для определения оптимальных значений параметров воспользуемся методом дифференцирования:

/>.

Из этого уравнения определяем

/>. (7)

Подставив в исходное уравнение (6) вместо T1 его оптимальное значение (7) и продифференцировав по переменной kи2, найдем ее оптимальное значение

/>.

Пусть задающее воздействие является случайным процессом с нулевым математическим ожиданием и спектральной плотностью

/>

Флюктуационная составляющая характеризуется спектральной плотностью />.

В качестве фильтра используется идеальный интегратор:

/>.

Найдем оптимальное значение коэффициента передачи интегратора />по критерию минимума суммарной ошибки слежения:

/>,

где />─ величина дисперсии ошибки, обусловленная неточным воспроизведением входного воздействия; />─ величина дисперсии ошибки обусловленная воздействием флюктуационной составляющей.

/>

/>. (8)

Продифференцируем (8) по />и приравняем производную нулю. В результате получим

/>.

Память следящих систем

Радиотехнические системы работают в условиях многолучевого распространения радиоволн, поэтому при приеме сигнала наблюдается эффект замирания сигнала. Попадание на вход приемника мощной широкополосной помехи приводит к смещению рабочей точки характеристики активного элемента на нелинейный участок характеристики и в результате – к подавлению полезного сигнала мощной помехой. Сигнал на входе следящей системы пропадает, что эквивалентно размыканию контура. На структурной схеме (Рис.6) это явление можно отобразить введением двух ключей Кл1 и Кл2. Пропадание сигнала приводит к размыканию ключа Кл1 и переводу ключа Кл2 в положение 2, поскольку меняется характер флюктуаций.

/>

Рис.6. Структурная схема следящей системы с учетом пропадания полезного сигнала на входе.

Если в режиме слежения закон распределения ошибки нормальный с нулевым математическим ожиданием и в момент времени />следящая система разомкнулась, то через время />, характер распределения ошибки слежения изменится: увеличится математическое ожидание и дисперсия. Если в момент />значение ошибки не выходит за пределы апертуры дискриминационной характеристики, то появление сигнала приведет к восстановлению режима слежения. Если же />, то происходит срыв слежения.

Вероятность того, что через />после пропадания сигнала ошибка слежения не превышает />определяет память следящей системы:

/>.

/>

Рис.7. Распределение плотности вероятности ошибки слежения.

/>

Рис.8. Дискриминационная характеристика.

Рассмотрим пример.

Пусть следящая система имеет два интегратора (рис.9).

/>

Рис.9. Структурная схема системы.

Задающее воздействие определяется линейной зависимостью

/>;

Поскольку система является астатической с астатизмом второго порядка установившееся значение ошибки равно нулю, т.е.

/>.

Следовательно,

/>; />, а />,

т.е. напряжение на входе второго интегратора пропорционально скорости изменения задающего воздействия />.

Таким образом, система отслеживает скорость изменения входного процесса не по рассогласованию а по памяти. При пропадании сигнала на вход система будет отслеживать его изменение, если скорость не изменятся. При восстановлении сигнала ошибка будет минимальной, или равной нулю (в реальной ситуации срыв может произойти в результате флюктуаций управляемой величины под воздействием помех).

Память следящих систем определяется числом интегрирующих звеньев. Одно звено обеспечивает память по положению, два – по скорости, три – по ускорению.

Таким образом, система с астатизмом n –го порядка обладает памятью по n-1 производной задающего воздействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коновалов. Г.Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2000.

2. Радиоавтоматика: Учеб. пособие для вузов. / Под ред.В.А. Бесекерского. — М.: Высш. шк., 2005.

3… Первачев С. В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 2002.

4. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского – М.: Радио, 2000


еще рефераты
Еще работы по коммуникациям