4.3.3. Классификация систем АРУ. Прямые и косвенные способы регулирования

Материал по данному вопросу можно найти в [1, стр.52…53; 5, стр.376…390; 6, стр.151…153; 7, стр.88…89, 91…106].

Одиночные устройства АРУ удобно рассматривать, пользуясь теорией автоматического регулирования, как устройства автоматической стабилизации. Структурная схема такого устройства показана на рис. 4.108.

 

                 

 

Рис.4.108 Устройство автоматической стабилизации

 

Сигнал Х_вх, например сигнал КЧ, поступает на вход регулируемого объекта РО, роль которого в аппаратуре АСП играет переменный корректор. К выходу РО подключен чувствительный элемент ЧЭ, например ПКК, через который часть выходного сигнала Х_вых поступает на схему сравнения СС. Одновременно  с сигналом Х, пропорциональным Х_вых, на СС от эталонного источника Э поступает эталонный сигнал Х_э. Разность Х – Х_э воздействует на регулирующий элемент РЭ, на выходе которого возникает сигнал Х_р, определяющий изменение параметра РО, в частности изменение коэффициента передачи регулируемого сигнала по напряжению. Коэффициент передачи изменяется таким образом, чтобы величина сигнала Х_вых приближалась к заданному значению, при котором разность Х – Х_э стремится к нулю. Во многих устройствах АРУ РЭ и СС представляют собой одно целое и носят название регулятора (Р).

Рассмотренное устройство АРУ содержит замкнутый контур регулирования (петлю ОС), что является характерной особенностью устройств автоматической стабилизации. Классификация систем АРУ часто производится в соответствии с типами звеньев, составляющих контур регулирования, либо по типу регулятора.

Поскольку регулировка усиления производится на основе изменения уровня входного (выходного) сигнала по информации, извлекаемой из самого сигнала, то такие устройства называют устройствами АРУ прямого (непосредственного) регулирования. Таким образом, рассмотренная ранее (рис.4.105) П-АРУ (АРУ по КЧ) является АРУ прямого регулирования. Следует отметить, что подобные АРУ обеспечивают наибольшую точность регулирования по сравнению с остальными.  

Раскрывая структуру ПКК и Р, схема одиночного устройства П-АРУ может быть представлена следующим образом (рис.4.109) [5].

 

     

 

Рис.4.109 АРУ прямого регулирования

 

Сигнал КЧ (от ГКЧ) объединяется с линейным сигналом в ЛУС_пер и поступает в линейный тракт. Изменения затухания участков линии связи и усиления в НУПах вызывает изменение уровня КЧ на входе и выходе ЛУС. Сигнал КЧ на выходе ЛУС выделяется с помощью ПКК, состоящего из узкополосного полосового фильтра (ПФ), усилителя КЧ (УКЧ) и преобразователя (ПР). В ПР сигнал КЧ преобразуется в форму, удобную для подачи на вход СС. На другой вход СС поступает эталонный сигнал от эталонного источника. Эталонный сигнал может иметь различную природу: это может быть стабилизированное напряжение, фиксированный ток срабатывания реле, упругая сила натяжения пружины и т.п. Наиболее часто используются СС на постоянном токе. В этом случае в качестве эталонного источника используется стабилизированный источник опорного напряжения, а в качестве преобразователя – пиковый или линейный детектор. В СС сравниваются эталонный ток (напряжение) I_эт и выпрямленный ток КЧ I_кч . На выходе СС возникает сигнал ошибки, пропорциональный разности (I_эт -  I_кч), который от преобразователя ошибки ПО поступает на регулирующий элемент РЭ. Регулирующий элемент является частью переменного амплитудного корректора. ПАК, включенный в цепь ОС ЛУС, изменяет усиление последнего таким образом, чтобы уровень КЧ на выходе ЛУС оставался практически неизменным.

В случае, если точность регулировки линейного сигнала по одной контрольной частоте оказывается недостаточной, ГКЧ формирует несколько сигналов разных КЧ, а усилительный пункт содержит несколько ПАК, каждый из которых управляется по схеме рис.4.109 сигналом соответствующей КЧ (многочастотная АРУ). Структурная схема многочастотной АРУ показана на рис.4.110.

 

 

Рис.4.110 Многочастотная АРУ

 

Для улучшения процесса регулирования в таких устройствах между ПКК и Р часто включают блок логики БЛ.

Помимо устройств АРУ, работающих по принципу автоматической стабилизации, в АСП достаточно широко применяются устройства, представляющие собой следящие системы. Примером таких АРУ может служить температурная АРУ (Т-АРУ) – рис.4.106. Задачей следящей системы СлС является изменение РЭ ПАК в соответствии с изменениями параметра термодатчика. Поскольку изменение температуры происходит медленно, емкость соединительного кабеля на работу СлС не влияет. Устройства АРУ, построенные по принципу следящих систем, осуществляют косвенное регулирование (в данном случае затухание кабеля контролируется косвенно по температуре грунта), поэтому подобные устройства получили название АРУ косвенного регулирования.

 

 

Классификация устройств АРУ прямого регулирования производится по характерным признакам [5]:

- место съема сигнала контроля (регулирования);

- количество контрольных частот;

- вид регулирующего элемента;

- вид преобразователя ощибки;

- вид амплитудной характеристики системы АРУ;

- вид частотной характеристики системы;

- характер протекания процесса регулирования.

Часто классификацию производят не по видам РЭ и преобразователя ошибки, а по типу регулятора.

По месту съема сигнала регулирования различают системы АРУ прямого и обратного действия. В первом случае сигнал регулирования (сигнал КЧ) снимается с входа ЛУС, во втором – с выхода. Примером АРУ обратного действия (“АРУ назад”) могут служить схемы на рис.4.105; 4.109. Подобные системы обладают более высокой стабильностью характеристик и применяются чаще других.

По количеству контрольных частот различают одночастотные, двухчастотные, трехчастотные и многочастотные системы АРУ.

В качестве регулирующих элементов могут использоваться резистивные, емкостные или индуктивные потенциометры либо бесконтактные переменные резисторы (полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы и мемисторы). Резистивные потенциометры требуют специальных устройств для механического перемещения движка потенциометра, например электродвигателя, что усложняет построение устройства АРУ и увеличивает потребляемую мощность. Кроме того, при неплотном контакте движка могут возникать дополнительные помехи в каналах связи. Емкостные потенциометры на основе воздушных переменных конденсаторов являются бесконтактными, но также требуют механической перестройки. Индуктивные потенциометры, выполненные на основе ферромагнитных сердечников, являются бесконтактными и электрически управляемыми. Однако, как и емкостные потенциометры на основе варикапов, они являются существенно нелинейными элементами, что заметно сужает возможности их применения.

Полупроводниковые диоды и транзисторы при изменении режима работы по постоянному току заметно изменяют свое динамическое сопротивление. Поэтому они нашли определенное применение в малоканальных системах передачи. Однако в АСП большой емкости они практически не используются из-за недостаточной линейности динамического сопротивления, вследствие чего происходит существенное возрастание мощности нелинейных помех.

Основными регулирующими элементами в современных АСП являются термисторы и мемисторы. Термисторы имеют ряд разновидностей. Наибольшее распространение в АРУ АСП нашли термисторы с косвенным подогревом (ТКП).

ТКП (рис.4.111) состоит из терморезистора, включенного между точками а-а, и обмотки подогрева, подключенной к точкам б-б.

 

                                

 

Рис.4.111 Термистор с косвенным подогревом

При пропускании постоянного или переменного тока подогрева через обмотку в последней выделяется тепловая мощность, которая изменяет температуру,а следовательно, и сопротивление терморезистора. Следует отметить, что со стороны зажимов а-а ТКП ведет себя как чисто активное сопротивление, т.е. R = φ(t°), но R не зависит от U_сс.

Мемистор (от англ. memory resistor) – электрохимический регулирующий элемент (рис.4.112) [5].

 

                                     

 

Рис.4.112 Мемистор

 

Он состоит из герметизированного баллона 3, заполненного электролитом, и двух электродов 1 и 2. Электрод 1 (управляющий) выполнен из металла, соль которого растворена в электролите. Электрод 2 (резистивный или считывающий) выполнен из химически инертного металла. Между электродами включен источник управляющего напряжения U_у. В зависимости от полярности и величины U_у сечение электрода 2 увеличивается или уменьшается за счет отложения на нем или снятия с него слоя металла в процессе электролиза. Сопротивление считывающего электрода используется в качестве управляющего сопротивления R_~ в переменном корректоре. 

Достоинство мемистора – простота конструкции, экономичность, малые габариты, высокая чувствительность к изменению управляющего напряжения. При отсутствии управляющего напряжения (U_у = 0) сопротивление считывающего электрода остается неизменным. Основным недостатком мемистора на сегодняшний день остается большая температурная зависимость его параметров.

Разнообразие вариантов построения систем АРУ во многом обусловлено различием в реализации преобразователя ошибки. Изменение, например, тока подогрева термистора возможно с помощью делителей напряжения, в которых используются регулируемый (переменный) резистор, регулируемая индуктивность или емкость.

Классификация систем АРУ производится также по характеру зависимости между изменением уровня сигнала на входе Δр_вх и выходе Δр_вых линейного усилителя. Эта зависимость может быть условно названа амплитудной характеристикой системы АРУ. При этом различают статические и астатические  системы АРУ.

В статических системах АРУ изменение усиления ЛУС ΔS происходит пропорционально изменению уровня на выходе Δр_вых (пропорционально сигналу ошибки на выходе системы АРУ):

                                                ,                                  (4.32)

где α – постоянный коэффициент.

Поскольку изменение уровня сигнала на выходе равно Δр_вых= Δр_вх +ΔS, то амплитудная характеристика может быть представлена в виде:

                                                 .                                   (4.33)

 

Очевидно (4.33), что амплитудная характеристика – линейна, причем α имеет смысл коэффициента передачи в цепи ОС ЛУС.

Статические системы АРУ называют еще системами с пропорциональным регулированием (П-регулированием) в связи с выполнением условия (4.32). В цепи ОС статических систем АРУ все элементы, кроме регулирующего, должны иметь пропорциональную зависимость между уровнем сигнала на входе и выходе элемента.

Система АРУ называется астатической, если при постоянном изменении сигнала на входе ЛУС Δр_вх отклонение сигнала на выходе Δр_вых стремится к нулю, независимо от величины Δр_вх. Астатизм системы зависит от наличия в цепи ОС астатических элементов, т.е. элементов, у которых при постоянном входном воздействии Δx сигнал на выходе Δy в установившемся режиме  непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д. Примером астатического элемента может служить идеальный интегратор:

                                             .                              (4.34)

С некоторым приближением интегратором можно считать электродвигатель, у которого при  постоянной величине тока подмагничивания I = Δx угол поворота ротора φ = Δy линейно меняется во времени. К интеграторам можно отнести мемистор, у которого при  и условии процесс электролиза идет с постоянной скоростью, что приводит к линейному изменению во времени сопротивления считывающего электрода. Количество интеграторов определяет порядок астатизма системы АРУ.

Из (4.34) следует, что процесс изменения сигнала на выходе интегратора заканчивается только тогда, когда величина  Δx (изменение входного воздействия) стремится к нулю. Следовательно, в астатической системе “АРУ назад” процесс регулирования усиления ЛУС закончится только тогда, когда возмущающее воздействие Δр_вых станет равным нулю. Астатические системы АРУ называются также системами с интегральным регулированием (И-регулированием).

  Как видно из (4.34), астатические системы АРУ, обеспечивая высокую точность регулирования в установившемся режиме (Δр_вых), являются достаточно инерционными. Переходной процесс в них длится продолжительное время, что в ряде случаев неудобно. Известным выходом из подобного положения является параллельное подключение к интегрирующему звену дополнительного пропорционального звена. Устройство АРУ оказывается охваченным двухканальной ОС и называется устройством с пропорционально-интегральным регулированием (ПИ-регулированием). В таких системах в начале переходного процесса происходит быстрое снижение  Δр_вых от величины Δр_вых(t=0)=Δр_вх до величины, определяемой выражением (4.33), за счет работы пропорционального звена. Затем начинает сказываться влияние интегрирующего звена, под действием которого Δр_вых стремится к 0 при t→ +∞.

В устройствах АРУ, управляемых контрольным сигналом, должна предусматриваться возможность их блокирования, т.е. фиксации положения регуляторов при резком снижении или пропадании сигнала КЧ. Иначе случайное выключение контрольного сигнала приведет к предельному снижению остаточного затухания тракта и, как следствие, к резкому росту помех в тракте (а также в трактах АСП, работающих на параллельных цепях). Действительно, при отсутствии блокировки устройства АРУ будут реагировать на пропадание контрольного сигнала (сигналов) как на резкое увеличение затухания тракта и до предела увеличивать усиление корректоров тракта. Это, в свою очередь, может приводить к самовозбуждению каналов АСП и перегрузке линейных усилителей, после чего восстановление номинального затухания вообще становится невозможным без прекращения связи.  Блокирование регуляторов осуществляется специально предусмотренными устройствами. Техническая реализация подобных устройств может быть различна, однако все они должны обладать свойствами памяти.

По характеру протекания процесса управления в цепи ОС ЛУС системы АРУ можно разделить на системы с непрерывным и дискретным по времени управлением. АРУ дискретного типа отличается тем, что регулировка в ней осуществляется в дискретные моменты времени, причем в промежутке между этими моментами АРУ «помнит» результаты предыдущей регулировки. Подобное построение связано с тем, что реальные дестабилизирующие факторы изменяются во времени достаточно медленно. Использование дискретных систем АРУ позволяет применить одно устройство АРУ для регулировки нескольких независимых параметров (или блоков). Управление происходит в разные моменты времени. Кроме того, в таких системах достаточно легко обеспечивается астатический режим работы.