Математичні моделі адаптивного радіоканалу зв’язку з системами ПІД-регулювання потужності передавача

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ АДАПТИВНОГО РАДІОКАНАЛУ ЗВ`ЯЗКУ З СИСТЕМАМИ ПІД-РЕГУЛЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ ПЕРЕДАВАЧА

АНАНЬЇН ОЛЕГ ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 62 - 55 :681.515

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Київ - 2006

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Державному університеті інформаційно- комунікаційних технологій Держкомзв`язку України

Науковий керівник заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних

технологій Держкомзв`язку України,

завідувач кафедри комунікаційних систем.

Офіційні опоненти заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Зайцев Григорій Фролович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних

технологій Держкомзв`язку України,

професор кафедри радіо технологій.

кандидат технічних наук

Бірюков Микола Леонідович,

Український науково-дослідний інститут зв`язку,

начальник наукового відділу систем передачі та первинних мереж.

Провідна установа Харківський Національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “27” вересня 2006 р. о “14:15” годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно- комунікаційних технологій Держкомзв`язку України за адресою: 03110, м. Київ, вул.. Солом`янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету інформаційно- комунікаційних технологій Держкомзв`язку України

Автореферат розісланий “26” липня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н. Н.І. Кунах

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практично всі радіоканали зв'язку підлягають впливу замирань, що є основною перешкодою для високоякісного та надійного передавання сигналів. Одним із ефективних методів боротьби із замираннями сигналів є метод адаптивного прийому, коли для передавання інформації про стан прямого тракту та відповідної зміни параметрів сигналу передавання використовується канал зворотного зв'язку. В радіосистемах тропосферного радіозв'язку найбільш частіше використовується автоматичне регулювання потужності передавача (АРПП) в прямому радіоканалі зв'язку, для чого використовується зворотній канал радіоуправління. Прямий канал радіозв'язку разом із зворотним каналом радіоуправління утворюють замкнуту систему автоматичного управління - систему АРПП. Такі системи описані в ряді вітчизняних та зарубіжних робіт, однак аналіз і синтез систем на основі теорії автоматичного управління у відомій літературі в повній мірі відсутній.

Враховуючи той факт, що системи АРПП є суттєво нестаціонарними, що обумовлено такою нестаціонарною ланкою як середовище розповсюдження радіохвиль, та нелінійними, в першу чергу за рахунок механізму перестроювання потужності передавача, для підвищення якості таких систем необхідне застосування спеціальних регуляторів. Для нестаціонарних та нелінійних об'єктів управління досить ефективними є нечіткі (що працюють на базі нечіткої логіки) регулятори.

В відомих роботах досліджені системи АРПП, зокрема з нечіткими регуляторами. В даній дисертаційній роботі проведено дослідження систем АРПП з ПІД-регуляторами і показано, що ПІД-регулятори забезпечують більш високу якість систем АРПП, ніж нечіткі регулятори. Враховуючи те, що ПІД-регулятори є більш простими конструктивно, дуже просто настроюються (мають тільки три параметри для настроювання, а не п'ять, дев'ять або більше параметрів, як нечітки регулятори) і забезпечують високу якість систем АРПП, розробка систем АРПП з ПІД-регуляторами, а також порівняльний аналіз цих систем і систем АРПП з нечіткими регуляторами є актуальною та практично важливою задачею. Крім того, у відомих роботах, досліджені фаззі-системи АРПП, в яких канал радіоуправління представлений як одиничний зворотний зв'язок, що, як правило, не відповідає дійсності, тому що канал радіоуправління має ту ж саму структуру, що і радіоканал передавання даних (канал радіозв'язку). Тому доцільно провести дослідження систем АРПП, математичні моделі яких мають канал радіоуправління таким, що є ідентичним радіоканалу передавання даних (каналу радіозв'язку).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, що проводяться у 2003-2005 роках в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій на замовлення Держкомзв'язку України та ВАТ “Укртелеком”.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні якості за рахунок зменшення динамічних похибок і підвищення швидкодії цифроаналогових адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку шляхом застосування цифрових ПІД-регуляторів.

Об'єкт дослідження - адаптивні радіоканали зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, а предмет дослідження - підвищення динамічної точності і швидкодії систем АРПП за рахунок використання цифрових ПІД-регуляторів. Предмет дослідження визначає тему дисертаційної роботи, яка полягає в розробці математичних моделей адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, включаючи параметричний синтез цифрових ПІД-регуляторів і дослідження методом математичного моделювання розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими ПІД-регуляторами, які забезпечують потрібну якість систем.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язувалися наступні основні науково-технічні задачі:

– розробка математичних моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, в яких для забезпечення потрібної якості систем використовуються цифрові ПІД-регулятори, а також моделей замирань мультиплікативних та адитивних збуджуючих діянь;

– удосконалення параметричного синтезу цифрових ПІД-регуляторів на базі різних критеріїв якості систем автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку;

– розробка засобу компенсації збуджуючих діянь в радіоканалі управління

– проведення досліджень розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими цифровими ПІД-регуляторами, які забезпечують потрібну якість систем автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, шляхом математичного моделювання із використанням інтерактивної системи МАТLAB;

– порівняльний аналіз розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими цифровими ПІД-регуляторами і моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із нечіткими (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторами.

Методи дослідження. Задачі дисертаційної роботи розв'язувалися із використанням загальних методів теорії аналогових, дискретних та цифрових систем автоматичного керування, зокрема методів оптимізації, методів перетворення Лапласа і z-перетворення, а також математичних апаратів нечіткої логіки та інтерактивної системи МАТLAB.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації отримані наступні наукові результати:

– розроблені математичні моделі адаптивних радіоканалів зв'язку із системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, в яких для забезпечення потрібної якості систем використовуються цифрові ПІД-регулятори;

– удосконалена методика параметричного синтезу цифрових ПІД-регуляторів на основі оптимізації параметрів регуляторів в замкненій системі АРПП;

– розроблено ефективний засіб компенсації збуджуючих діянь в радіоканалі управління систем автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку;

– вперше представлені результати досліджень методом математичного моделювання адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, які включають цифрові ПІД-регулятори;

– вперше представлені результати порівняльного аналізу розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими цифровими ПІД-регуляторами і моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із нечіткими (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторами.

Практичне значення отриманих результатів. На основі наукових результатів, які отримані в дисертаційній роботі, можна проектувати мікропроцесорні адаптивні радіоканали зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП в прямому радіоканалі зв'язку, які забезпечують досить високу точність відпрацювання довільних вхідних діянь за рахунок використання синтезованих цифрових ПІД-регуляторів.

Результати дисертаційної роботи використані при проектуванні радіотехнічних пристроїв на підприємстві ВАТ “Олімп ”, м. Світловодськ Кіровоградської області, (протокол № 2 від 22.09.2005 р.).

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної і експериментальної частин роботи та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. В опублікованих роботах в співавторстві здобувачеві зокрема належать наступні результати: в [1] визначена загальна структура адаптивної радіолінії зв'язку, в [2] виконана оцінка робастності систем автоматичного управління адаптивним радіоканалом зв'язку з ПІД-регулятором, в [3,7] розроблена модель радіоканалу зв'язку з ПІД-регулятором, в [4] отримано модель оптимального каналу радіоуправління та проведено дослідження системи АРПП з ПІД-регулятором в адаптивному радіоканалі зв'язку, в [5] експериментально досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП з ПІД-регулятором, в [6] розглянуті різні типи регуляторів в системах автоматичного управління, в [8] досліджено факт невизначеності настроювання нечітких регуляторів в системах автоматичного управління.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 15-17 травня 2004 р.), на міжнародній науково-методичній конференції “Актуальні проблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору” (м. Київ, ДУІКТ, 21-22 жовтня 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 наукових праць в журналах, затверджених ВАК України як фахові видання з технічних наук, та 2 статті у матеріалах двох міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний об'єм роботи складає 130 сторінок, у тому числі 66 рисунків і 4 таблиці, 53 використаних джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

радіоканал передавач цифровий

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі проаналізовано характеристики швидких замирань сигналу та проведено класифікацію методів боротьби з ними в аналогових та цифрових системах радіопередавання. Визначено, що основними методами боротьби із замираннями є методи рознесеного, оптимального та адаптивного прийому. При методі рознесеного прийому застосовується просторове, частотне та кутове рознесення. Після отримання копій сигналів застосовується їх лінійне комбінування, яке розділяють на лінійне та оптимальне додавання та автовибір. При оптимальному прийомі використовуються широкосмугові складові сигнали в автокореляційних та взаємокореляційних системах. Визначено, що для підвищення надійності та економічності зв'язку за рахунок мінімізації швидких замирань, є використання систем автоматичного регулювання потужності передавачів (АРПП). На основі аналізу науково-технічних джерел інформації констатовано, що застосування систем АРПП дозволяє суттєво зменшити середню потужність випромінювання, збільшити прихованість зв'язку, більш якісно вирішувати задачі електромагнітної сумісності різних радіозасобів і тому застосування систем АРПП в процесі радіозв'язку є доцільним та актуальним.

У другому розділі визначено та обґрунтовано основну функціональну схему систем АРПП та типи регуляторів для забезпечення якісної роботи систем автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача в прямому радіоканалі зв`язку. Розглянуто принцип роботи систем автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача АРПП та визначена спрощена структурна схема системи АРПП в адаптивному каналі радіозв`язку. Викладені основні можливості інтерактивної системи MATLAB, за допомогою якої виконується моделювання систем АРПП. Наведені структурні схеми регуляторів, що використовуються в системах АРПП, виконані в інтерактивній системі MATLAB, та розглянуті принципи їх роботи. Обґрунтовано, що для систем АРПП доцільно використовувати цифрові ПІД-регулятори, оскільки вони використовуються для управління не тільки об'єктами, для яких отримані математичні моделі, але й для управління об'єктами, які або не піддаються, або піддаються з великими труднощами формалізованому опису. Крім того, вони є простими конструктивно і дуже просто настроюються (мають тільки три параметри для настроювання, а не чотири, дев`ять або більше параметрів, як нечітки регулятори). Тому констатовано, що розробка систем АРПП з ПІД-регуляторами є актуальною та перспективною задачею.

Розділ 3 присвячено проведенню порівняльних оцінок систем автоматичного нечіткого та ПІД- регулювання потужності передавача в радіоканалі зв`язку. Досліджені і проаналізовані фаззі-системи АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, і з електрично управляємим атенюатором, в яких канал радіоуправління має ту ж саму структуру, що і радіоканал передавання даних (канал радіозв`язку). В результаті досліджень методом математичного моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних, так і адитивних збуджуючих діянь виявлено, що максимальні поточні похибки розузгодження в системі АРПП з потужним атенюатором, який перестроюється за допомогою двигуна, майже на порядок менші максимальних поточних похибок розузгодження в системі АРПП з електронним атенюатором НВЧ, що перестроюється сигналом управління з виходу нечіткого регулятора, і майже на два порядки менші, ніж в системі без нечіткого регулятора. Застосування нечіткого регулятора в системі АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, дозволяє зменшити максимальні поточні похибки розузгодження приблизно в 15 разів, в порівнянні з системою АРПП, в якій використовується зворотній зв`язок без нечіткого регулятора. Показано, що в системах АРПП при впливі адитивних збуджуючих діянь максимальна поточна похибка розузгодження менше, ніж ця ж похибка при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь, і що особливо важливо, максимальна поточна похибка розузгодження при збільшенні амплітуди замирань U при впливі адитивних збуджуючих діянь зростає значно менше, ніж при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь. В результаті досліджень установлено, що при зменшенні відношення сигнал/шум на виході приймача радіоканалу зв'язку на 50% система АРПП без нечіткого регулятора зменшує відношення сигнал/шум приблизно до 34%, при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь і до 24% при впливі адитивних збуджуючих діянь, система АРПП з електронним атенюатором НВЧ, що перестроюється сигналом управління з виходу регулятора, та нечітким регулятором зменшує відношення сигнал\шум приблизно до 4,5% при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь та до 2,6% при впливі адитивних збуджуючих діянь, а система АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, і нечіткого регулятора зменшує відношення сигнал\шум приблизно до 0,55% при дії мультиплікативних збуджуючих діянь і до 0,25% при дії адитивних збуджуючих діянь. Тому якість прийому, що визначається відношенням сигнал\шум на вході радіоприйомного пристрою радіоканалу зв'язку, при використанні систем АРПП з нечітким регулятором навіть при великих замираннях сигналу практично не погіршується, оскільки системи АРПП з нечітким регулятором відновлюють відношення сигнал/шум на вході радіоприймального пристрою практично до попереднього рівня. Встановлено, що в системі АРПП з потужним атенюатором, який перестроюється за допомогою двигуна, при різних ступенях замирань як при мультиплікативних збуджуючих діяннях, так і при адитивних збуджуючих діяннях із збільшенням періоду замирань максимальні поточні похибки розузгодження зменшуються. В системі АРПП з електрично управляємим атенюатором максимальні поточні похибки розузгодження від періоду замирань не залежать, а залежать лише від ступеня замирань.

У четвертому розділі представлені результати дослідження розроблених математичних моделей систем АРПП з ПІД-регулятором в радіоканалі зв`язку та потужним атенюатором, що перестроюється двигуном, або електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління з виходу ПІД-регулятора, при дії мультиплікативних та адитивних збуджуючих діянь (замирань) методом моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних так і адитивних завад. Математичні моделі систем АРПП з ПІД-регуляторами приведені на рис.1-4.

Математичні моделі системи АРПП, представлені на рис.1-4 принципово відрізняються вид відомих тим, що в цих системах канал радіоуправління є ідентичним каналу радіозв'язку.

Математичні моделі системи АРПП включають моделі генераторів (Generator) атенюаторів (Attenuator), ідеальних радіоланок (R), схему ПІД-регулятора. Двигун з механізмом регулювання (Engine), за допомогою якого перестроюється потужний атенюатор, має передаточну функцію , де постійна часу двигуна . Кожна ідеальна радіоланка R1 та R2 з урахуванням тільки часу запізнювання сигналу у середовищі розповсюдження та фільтра приймача описується передаточною функцією . Запропоновано для потужності на виході передавача, яка регулюється атенюатором, наступну нелінійну залежність ( - потужність генератора СВЧ-коливань, - сигнал на вході атенюатора)

Системи (див рис.3 і 4) з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, відрізняються від систем (див рис.1 і 2) тільки відсутністю двигуна з механізмом регулювання (Engine). Управління потужністю передавача в цих системах здійснюється при безпосередній дії управляючого сигналу на електронно управляємий атенюатор (Attenuator), який знаходиться у передавачі та включається у роз'єднання тракту між джерелом потужності (генератором коливань) та навантаженням (антенною системою).

В роботі використана передаточна функція цифрового ПІД-регулятора у вигляді

,

яка отримана апроксимацією похідної першою різницею і використанням інтегрування на основі трапеціїдальної апроксимації. Параметр - крок дискретизації.

Прийнято, що якість приймаємого НВЧ-сигналу на вході радіоприймача каналу радіозв'язку є досить задовільною, якщо опорний сигнал дорівнює 1 та у встановленому режимі ==1. Сигнал отримується в результаті загасання вихідного сигналу передавача каналу радіозв'язку в середовищі розповсюдження та перетворення вхідного сигналу приймача у сигнал . При моделюванні загасання сигналу в ідеальному (без завад) середовищі розповсюдження імітується пропорціональним блоком з коефіцієнтом (блок Radiation damping), рис.1-4.

Запропановано імітацію завад в середовищі розповсюдження радіохвиль здійснювати наступним чином. Припустимо, що виникають періодичні замирання сигналу на вході приймача РПрП1 або, що еквівалентно, періодичні зменшення відношення сигнал/шум, наприклад, на 40% від нормального. Цю ситуацію можна імітувати за допомогою періодичного генератора (generator) з амплітудою імпульсів -0,4. При моделюванні період імпульсів вибраний 20 с, а тривалість імпульсів 10 с. Такі імпульси необхідно подавати при включенні моделі із затримкою (Transport Delay) приблизно на 3 с, після того як в системі наступить стійкий стан рівноваги. Періодичні замирання сигналу на вході приймача радіоканалу зв'язку імітуються за допомогою генератора синусоїдальних коливань (Sine Wave) із зміщенням. При моделюванні вибрані коливання з періодом 20 с, амплітудою, яка дорівнює -0,2, та зміщенням -0,2.

Процеси, які досліджуються в системах, представлених на рис. 1 і 3, при ступінчатих і синусоїдальних замираннях, відображаються на індикаторах Medium, Error (середовище розповсюдження, похибка), Р (потужність), m (управляюча дія), а процеси, які досліджуються в системах, представлених на рис. 2 і 4, відображаються на індикаторах Fadings (затухання), Error (похибка), Р (потужність), m (управляюча дія). Як приклад, процеси в системі, що представлена на рис. 1, приведені на рис. 5 і 6. Аналогічні процеси досліджуються в інших системах.

В роботі досліджені залежності максимальної поточної похибки від ступеня замирань: 1) при використанні системи АРПП з ПІД-регулятором і потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, рис. 7, а; 2) при використанні системи АРПП з ПІД-регулятором і електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, рис.7, б; 3) при використанні системи АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, без нечіткого регулятора, рис. 7, в, при мультиплікативних (а) та адитивних (б) замираннях. Досліджені також залежності максимальної поточної похибки від періоду (частоти) замирань.

Досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних завад в каналі радіоуправління на основі застосування блоку компенсації, який представляє собою радіоприймач вимірювання, що ідентифікує (вимірює) адитивні завади в середовищі розповсюдження радіохвиль каналу радіоуправління.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасної теорії автоматичного управління, обговоренням отриманих результатів на науково-технічних конференціях і математичним моделюванням розроблених систем на основі інтерактивної системи MATLAB.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримані такі теоретичні і науково-практичні результати:

1. Вивчена та розв'язана актуальна наукова задача підвищення якості за рахунок зменшення динамічних похибок і підвищення швидкодії цифроаналогових адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача (системами АРПП) в прямому радіоканалі зв'язку шляхом застосування цифрових ПІД-регуляторів.

2. Обґрунтовано використання систем автоматичного регулювання потужності передавача (АРПП) як метода боротьби із швидкими замираннями сигналів на трасах розповсюдження радіохвиль з метою збільшення прихованості зв'язку, більш якісного вирішування задач електромагнітної сумісності різних радіозасобів, підвищення надійності та економічності зв'язку, особливо стосовно рухомих та стаціонарних тропосферних радіоліній.

3. Розроблені і запропоновані математичні моделі систем АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється двигуном, та електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління з виходу регулятора радіоканалу зв'язку, в яких управління потужністю випромінювання радіопередавального пристрою в радіоканалі зв'язку здійснюється ПІД- регулятором.

4. З точки зору теорії автоматичного управління науково обґрунтовано нестаціонарність і нелінійність замкнутих систем АРПП і тому для цих систем запропоновано використовувати регулятори, які служать для управління не тільки об'єктами, для яких отримані математичні моделі, але й для управління об'єктами, які або не піддаються, або піддаються з великими труднощами формалізованому опису. Виходячи із аналізу типів регуляторів, показано, що такими регуляторами є нечіткі (що працюють на базі нечіткої логіки) регулятори і ПІД-регулятори.

5. З метою порівняльної оцінки фазі-систем АРПП і систем АРПП з ПІД-регуляторами проведено дослідження фазі-систем АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється двигуном, та електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління з виходу нечіткого регулятора, при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних, так і адитивних збуджуючих діянь.

6. Установлено, що при зменшенні відношення сигнал/шум на вході приймального пристрою каналу радіозв'язку на 40% система АРПП без нечіткого регулятора скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 24% при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь (замирань) і до 18% при впливі адитивних збуджуючих діянь (замирань), система АРПП з електрично управляємим атенюатором СВЧ та нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 3% при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь (замирань) та до 2% при впливі адитивних збуджуючих діянь (замирань), а система АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, і нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 0,35% при дії мультиплікативних збуджуючих діянь (замирань) і до 0,2% при дії адитивних збуджуючих діянь (замирань).

7. Показано, що в системах АРПП з ПІД-регуляторами при впливі адитивних збуджуючих діянь (замирань) максимальна поточна похибка менше, ніж ця ж похибка при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь (замирань), і максимальна поточна похибка при збільшенні амплітуди замирань U при впливі адитивних збуджуючих діянь (замирань) зростає значно менше, ніж при впливі мультиплікативних збуджуючих діянь (замирань). Виявлено, що в системах АРПП з атенюатором радіоканалу зв'язку, що перестроюється двигуном, і електронним атенюатором радіоканалу зв'язку, що перестроюється сигналом управління з виходу ПІД-регулятора, як при мультиплікативних, так і при адитивних збуджуючих діяннях, із збільшенням періоду замирань максимальні поточні похибки розузгодження зменшуються.

8. В системах АРПП з ПІД-регуляторами встановлено, що при ступені адитивних замираннь 40% співвідношення сигнал/шум на вході приймача радіоканалу зв'язку при використанні системи АРПП з електронним атенюатором, який перестроюється сигналом управління з виходу ПІД-регулятора, зменшується на 0,05% від нормального, а співвідношення сигнал/шум на вході приймача радіоканалу зв'язку при використанні системи АРПП з потужним атенюатором, який перестроюється за допомогою двигуна, при ступені адитивних замирань 40% зменшується на 0,1% від нормального. При ступені мультиплікативних замирань 40% співвідношення сигнал/шум на вході приймача радіоканалу зв'язку при використанні системи АРПП з електронним атенюатором, який перестроюється сигналом управління з виходу ПІД-регулятора, зменшується на 0,085% від нормального, а співвідношення сигнал/шум на вході приймача радіоканалу зв'язку при використанні системи АРПП з потужним атенюатором, який перестроюється за допомогою двигуна, при ступені мультиплікативних замирань 40% зменшується на 0,2% від нормального. Таким чином, якість прийому, що визначається відношенням сигнал/шум на вході радіоприйомного пристрою радіоканалу зв'язку, при використанні систем АРПП з ПІД-регулятором навіть при великих замираннях сигналу практично не погіршується.

9. На основі порівняльної оцінки систем АРПП з нечіткими регуляторами (фазі-систем АРПП) і систем АРПП з ПІД-регуляторами виявлено та установлено, що системи автоматичного регулювання потужності випромінювання передавача в прямому каналі радіозв'язку з ПІД-регуляторами забезпечують більш високу точність відпрацьовування сигналу, яким оператор задає якість системи, тобто системи АРПП з ПІД-регуляторами мають менші похибки розузгодження.

10. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних замирань в каналі радіоуправління систем АРПП з ПІД-регуляторами на основі застосування блоку компенсації, який представляє собою радіоприймач вимірювання, що ідентифікує (вимірює) адитивні замирання в середовищі розповсюдження радіохвиль каналу радіоуправління.

11. Науково обґрунтовано і методом математичного моделювання підтверджено висновок про те, що ПІД-регулятори є більш простими конструктивно, ніж нечіткі регулятори, дуже просто настроюються і забезпечують високу якість систем АРПП.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бережний О.М., Ананьїн О.В., Францевич О.М. Структура адаптивної радіолінії зв'язку // Збірник наукових праць військового інституту телекомунікацій та інформатизації національного технічного ун-ту України „Київський політехнічний інститут”. - 2004, Вип. № 4. - С. 11-15.

2. Гостев В.И., Ананьин О.В., Францевич О.Н. Оценка робастности системы автоматического регулирования мощности передатчика в радиоканале связи // Вісник Державного ун-ту інформаційно-комунікаційних технологій. - 2004. - Т. 2, № 4. - С. 192-195.

3. Гостев В.И., Бережной О.Н., Ананьин О.В. Система автоматического управления мощностью передатчика с электронным аттенюатором в радиоканале связи // Вісник Державного ун-ту інформаційно-комунікаційних технологій. - 2004. - Т. 2, № 3. - С. 165-168.

4. Гостєв В.І., Гостєв В.В., Ананьїн О.В. Модель оптимального каналу радіоуправління з ПІД-регулятором в адаптивному радіоканалі зв`язку // Вісник Київського національного ун-ту імені Тараса Шевченка. - 2005. С. 56-62.

5. Ананьин О.В., Францевич О.М. Вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП // Вісник Держ. ун-ту інформаційно-комунікаційних технологій. - 2005. - Том 3, № 1. - С. 20-25.

6. Gostev V.I., Sukach G.A., Ananin O.V. Parametric synthesis of digital controllers radio engineering systems. // Вісник Держ. ун-ту інформаційно-комунікаціних технологій. - 2005, Т. 3, № 2. - С. 69-82.

7. Гостев В.И., Бережной О.Н., Ананьин О.В. Радиоканал связи с ПИД-регулятором // Матеріали міжнародної науково-методичної конференції "Актуальні проблеми розвитку інформаційно- комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору": Київ, 21-22 жовтня 2004 р.: Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, 2004. - С. 40-43.

8. Гостев В.И., Ананьїн О.В., Криховецкий Г.Я. Неоднозначность настройки нечётких цифровых регуляторов в системах автоматического управления // Вісник технологічного університету Поділля ( Хмельницький держ. університет). - 2004, № 2, Ч. 1, Т. 1(60). - С. 43-46.

АНОТАЦІЇ

Ананьїн О.В. Математичні моделі адаптивного радіоканалу зв'язку з системами ПІД-регулювання потужності передавача. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного ПІД-регулювання потужності передавача (системами АРПП). Розроблені математичні моделі систем АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, і електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління з виходу регулятора, в яких управління потужністю випромінювання радіопередавального пристрою в каналі радіозв'язку здійснюється ПІД-регулятором. Проведено дослідження систем АРПП з ПІД-регулятором та атенюатором, що перестроюється двигуном, і електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління з виходу регулятора, методом математичного моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних, так і адитивних збуджуючих діянь за умови, що радіоканал управління є ідентичним каналу радіозв'язку. Досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу систем АРПП. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних завад в каналі радіоуправління на основі застосування блоку компенсації. На основі наукових результатів, отриманих в дисертаційній роботі, можна проектувати мікропроцесорні адаптивні радіоканали зв`язку з системами регулювання потужності випромінювання передавача, в яких висока якість систем АРПП забезпечується за рахунок використання цифрових ПІД-регуляторів.

Ключові слова: адаптивний радіоканал зв'язку, потужність, ПІД-регулятор, якість, замирання, математична модель, математичне моделювання.

Ананьин О.В. Математические модели адаптивного радиоканала связи с системами ПИД-регулирования мощности передатчика. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию адаптивных радиоканалов связи с системами автоматического ПИД-регулирования мощности передатчика (системами АРМП). Разработаны математические модели систем АРМП с аттенюатором, который перестраивается двигателем, и электронным аттенюатором, который перестраивается сигналом управления с выхода регулятора, в которых управление мощностью излучения радиопередающего устройства в канале радиосвязи осуществляется ПИД-регулятором. Приведены структурные схемы регуляторов, которые применяются в системах АРМП, в интерактивной системе MATLAB, и рассмотрены принципы их работы. Обосновано, что для систем АРМП целесообразно применять цифровые ПИД-регуляторы, поскольку они могут применяться для управления объектами, которые или не поддаются, или поддаются с большими трудностями формализованному описанию. Кроме того, ПИД-регуляторы просты конструктивно и просто настраиваются (имеют только три параметра для настройки). Проведено исследование систем АРМП с ПИД-регулятором и аттенюатором, который перестраивается двигателем, и электронным аттенюатором, который перестраивается сигналом управления с выхода регулятора, методом математического моделирования в среде интерактивной системы MATLAB при моделировании замираний в среде распространения радиоволн как мультипликативных, так и аддитивных возбуждающих воздействий при условии, что радиоканал управления является идентичным каналу радиосвязи. Исследовано влияние замираний в канале радиоуправления на работу системы АРМП с ПИД-регулятором и предложен эффективный способ борьбы с замираниями в канале радиоуправления на основе применения блока компенсации, который представляет собой измерительный радиоприёмник, идентифицирующий замирания в среде распространения радиоволн канала радиоуправления и позволяющий практически полностью исключить их влияние. С целью сравнительной оценки фаззи-систем АРМП и систем АРМП с ПИД-регуляторами проведено исследование фаззи-систем АРМП с мощным аттенюатором, который перестраивается двигателем, и электронным аттенюатором, который перестраивается сигналом управления с выхода нечеткого регулятора при моделировании замираний в среде распространения радиоволн как мультипликативных, так и аддитивных возбуждающих воздействий. Показано, что ПИД-регуляторы обеспечивают более высокое качество систем АРМП. На основании научных результатов, полученных в диссертации, можно проектировать микропроцессорные адаптивные радиоканалы связи с системами ПИД-регулирования мощности излучения передатчика, обладающие повышенными показателями качества.

Ключевые слова: адаптивный радиоканал связи, мощность, ПИД-регулятор, качество, замирания, математическая модель, математическое моделирование.

Ananin O.V. Mathematical models of an adaptive radio communication channel with systems of PID-control of power of transmitter. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.12.13 - radio engineering devices and tools of telecommunications. - State University of Information and Communication Technologies, Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to research of adaptive radio communication channels with systems of automatic PID-control of power of the transmitter (ACPT-systems). The mathematical models of ACPT-systems are developed with an attenuator adjusted by motor and an attenuator with electronic tuning by a signal of control from an output of a controller, in which the control of power of radiation of the radio-transmitting device in the radio communication channel is carried out by PID-controller. The research of ACPT-systems with a PID-controller and attenuator adjusted by motor and an attenuator with electronic tuning by a signal of control from an output of a controller is carried out by a method of mathematical simulation in interactive system MATLAB at simulation of fadings in a medium of a radio propagation as multiplicative, so additive distorting actions under condition that the radio control channel is identical to the radio communication channel. The influence of fadings in the radio control channel on ACPT-system operation with a PID-controller is researched and the effective way of struggle with fadings in the radio control channel is offered on the basis of application of the block of compensation, which represents a measuring radio receivers identifying fadings in the environment distributions of radio waves of the radio control channel and permitting practically completely to eliminate their influence. On the basis of scientific outcomes obtained in thesis it is possible to design microprocessor adaptive radio communication channels with systems of PID-controller of power of radiation of the transmitter possessing boosted metrics of quality.

Key words: an adaptive radio communication channel, power, PID-controller, quality, fadings, synthesis, mathematical model, mathematical simulation.

Размещено на Allbest.ru