Специальность 05.11.16
Информационно-измерительные и управляющие системы
(технические науки)
Автореферат диссертации
на соискание учёной степени кандидата технических наук
Информационно-управляющая система устройствами согласования антенно-фидерного комплекса с фазированной антенной решёткой
Шилов Александр Андреевич
Тамбов 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») на кафедре «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» (КРЭМС).
Научный руководитель Жуков Валентин Михайлович,
кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Кирсанов Эдуард Александрович,
доктор технических наук, доцент,
кафедра радиоэлектронной борьбы
ФГКОУ ВПО «Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), начальник
Иванов Александр Васильевич,
доктор технических наук, доцент,
кафедра «Радиотехника»
ФГБОУ ВПО «ТГТУ», профессор
Ведущая организация ОАО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «ЭФИР» (г. Тамбов)
Защита состоится 28 июня 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д212.260.05 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Большой зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Автореферат разослан ___ мая 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Селиванова Зоя Михайловна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. При создании нового поколения антенн в современных условиях особое внимание уделяется разработке фазированных антенных решёток (ФАР) с возможностью размещения в неподготовленных специально местах, включая площадки с ярко выраженной неоднородностью подстилающей поверхности антенны по геометрическим и(или) электрофизическим свойствам. Применение нескольких устройств согласования (УС) для излучателей, которые находятся в ближней зоне друг друга, приводит к повышению сложности систем управления и алгоритмов их работы. В этих условиях необходимым и актуальным является создание методики построения численных моделей для нескольких устройств согласования, входящих в состав антенно-фидерного комплекса (АФК) с ФАР, а также быстродействующих алгоритмов управления, обеспечивающих согласование каждого из излучателей ФАР с выходом передатчика. антенный фидерный решетка информационный
Степень разработанности представленной темы диссертации определяется развитием основных подходов к решению данной проблемы, среди которых можно выделить вычислительный и поисковый.
Вычислительный подход заключается в электродинамическом анализе конструкции излучателей, входящих в состав ФАР. Эти вопросы рассматривались в трудах Г.З. Айзенберга, Е. Галлена (E. Hallen), Р.Ф. Харрингтона (R.F. Harrington), В.В. Юдина и других учёных. Основа этих методов заключается в создании математических моделей на основе дифференциальных и интегральных уравнений с точным ядром, а также интегральных уравнений фредгольмовского типа первого и второго рода.
Поисковый подход основан на том, что происходит плавное изменение (или последовательная коммутация) значений элементов согласующей цепи на всём множестве состояний функционирования (СФ) с последующим измерением характеристик согласования антенны. Разработкой практических методик, основанных на данном подходе, занимались В.Ю. Бабков, В.В. Полевой, И.Ю. Хлопушин и др.
В значительной части эти исследования охватывают вопросы определения СФ устройств согласования, которые обеспечивают допустимый режим работы бегущих волн в фидере, не учитывая при этом передаточные характеристики УС при найденных управляющих воздействиях (УВ).
Объектом исследования является информационно-управляющая система устройствами согласования, входящими в состав мобильных АФК с ФАР.
Предметом исследования является методическое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей системы УС, в составе мобильных АФК с ФАР, работающих в неподготовленных специально местах, включая площадки с неоднородностью подстилающей поверхности излучателей по геометрическим и(или) электрофизическим свойствам.
Целью диссертационной работы является повышение суммарного коэффициента передачи устройств согласования, входящих в состав мобильного АФК с ФАР, которое достигается в результате новой постановки задачи определения УВ УС, а также разработки методического, алгоритмического и программного обеспечений информационно-управляющей системы (ИУС) УС мобильных АФК с ФАР, позволяющих находить её решение. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: а) произвести структурный анализ параметров АФК с ФАР в процессе управления УС; б) сформулировать задачу определения УВ УС АФК с ФАР; в) разработать методику решения задачи определения УВ УС мобильных АФК с ФАР; г) разработать ИУС УС мобильных АФК с ФАР, её алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее методику решения задачи определения УВ УС АФК с ФАР.
Научная новизна. 1. Сформулирована задача определения управляющих воздействий устройств согласования, представленная в виде задачи оптимизации, решение которой определяет состояния функционирования АФК с ФАР, характеризуемые согласованием каждого из излучателей антенной решётки с выходом передатчика и повышенным суммарным коэффициентом передачи устройств согласования.
2. Разработана методика определения управляющих воздействий устройств согласования, обеспечивающая решение сформулированной задачи в результате сокращения области поиска, осуществляемого нейросетевой моделью АФК при изменении свойств подстилающей поверхности ФАР.
3. Разработано алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы, реализующее методику определения управляющих воздействий устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, предусматривающее последовательное выполнение двух этапов: а) этапа поиска состояний функционирования АФК, при которых управляющие воздействия принадлежат области возможного решения задачи; б) оптимизации управляющих воздействий устройств согласования методом дифференциальной эволюции.
4. Разработана информационно-управляющая система устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, включающая блоки, реализующие алгоритмическое обеспечение процесса решения задачи определения управляющих воздействий.
Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:
разработана структурная модель взаимного влияния параметров АФК с ФАР в процессе управления УС; сформулирована задача определения управляющих воздействий устройств согласования АФК с ФАР; изложены и раскрыты основные этапы методики решения задачи определения УС АФК с ФАР. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, а именно методов системного анализа, многомерной оптимизации, теории нейронных сетей.
Практическая значимость. Разработано программное обеспечение для имитационных исследований АФК с ФАР, которое было использовано в учебном процессе кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» при проведении практических занятий по дисциплинам «Устройства автоматики в системах радиосвязи» и «Автоматические устройства согласования антенн».
Разработано программное обеспечение ИУС, реализующее методику определения управляющих воздействий УС мобильных АФК с ФАР.
Методы исследования. В работе использованы методы электродинамического моделирования антенных структур, основы теории нейронных сетей, методы эволюционной стохастической оптимизации, метод наведённых электродвижущих сил (ЭДС), приёмы когнитивной графики, системного анализа.
Положения, выносимые на защиту: а) постановка задачи определения управляющих воздействий устройств согласования мобильных АФК с ФАР; б) методика решения задачи определения управляющих воздействий устройств согласования мобильных АФК с ФАР; в) алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы устройств согласования мобильных АФК с ФАР; г) информационно-управляющая система устройствами согласования мобильных АФК с ФАР.
Степень достоверности обусловлена сходимостью результатов теоретического исследования с результатами имитационного моделирования.
Реализация работы. Результаты исследований использовались при решении практических задач в ОАО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «Эфир», ОАО «Тамбовский завод «Ревтруд» и ОАО «Тамбовский завод «Октябрь», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на 1-й Международной научно-практической конференции «Наука и бизнес: пути развития» (Тамбов, 2009), II-й Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них: 7 статей (6 статей в изданиях из перечня ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук), 3 тезиса докладов, 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 130 страницах, содержит 49 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений. Список используемых источников состоит из 113 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень её проработанности, указана цель и задачи исследования. Определены объект и предмет исследования, методы исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость проведённых исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.
В первой главе «Литературный обзор существующих информационно-управляющих систем устройствами согласования и постановка задачи исследования» приведено описание и характеристика объекта управления. В качестве ФАР была выбрана кольцевая фазированная антенная решётка декаметрового диапазона, состоящая из девяти излучателей, равномерно расположенных по окружности радиусом 13 м. В рамках диссертации исследования АФК с ФАР проводились для частоты 15 МГц.
В первой главе изложены существующие методы определения управляющих воздействий устройств согласования, а также приведены алгоритмы работы систем управления УС, реализующие рассмотренные методы. При постановке задачи исследования определены основные задачи, решение которых необходимо для разработки методики определения УВ УС АФК с ФАР.
Во второй главе «Решение задачи определения управляющих воздействий устройств согласования АФК с ФАР» проведён анализ взаимодействия параметров АФК в процессе управления устройствами согласования ФАР. На его основе получена структурная модель взаимного влияния параметров АФК с ФАР в процессе управления УС, а также определены множества: входных параметров (X); выходных переменных (Y); управляющих воздействий (U); возмущающих воздействий (V). Граф взаимного влияния параметров АФК с ФАР в процессе управления устройствами согласования показан на рис. 1.
Рис. 1. Граф взаимного влияния параметров АФК с ФАР
в процессе управления устройствами согласования
Входными параметрами АФК с ФАР на частоте щ являются: расположение излучателей (D), фазовое распределение антенной решётки (Ф), волновые сопротивления фидеров в каналах АФК (W), входные сопротивления излучателей (Zизл), определяемые величинами собственного (Zсоб) и наведённых сопротивлений (Zнав). Управляющие воздействия для каждого из N каналов определяются значениями элементов согласующих цепей (с1, с2, l3), их реактивными составляющими сопротивления (jX) и матрицами обобщённых параметров УС (Т). Возмущающие воздействия определены случайной переменной о, являющейся функцией дестабилизирующих факторов.
Структурная особенность графа состоит в том, что значение коэффициента стоячей волны (КСВ) в каждом из каналов связано с каждым из значений коэффициентов передачи (Kперед) i-го УС, через матрицу Zнав и матрицу Zизл. Подобная связь является причиной того, что при изменении управляющего воздействия Ui в любом из каналов приводит к изменению величин КСВ во всех каналах за счёт изменения значений элементов матрицы Zнав.
Процесс управления устройствами согласования АФК с ФАР является статическим, стохастическим, дискретным, нелинейным.
Входные сопротивления N связанных излучателей ZA и их связь с векторами Zсоб и Zнав можно представить в виде графа, представленного на рис. 2, а.
Сопротивление излучателя, входящего в состав ФАР, можно определить с использованием выражения
,
где Zсоб i (щ, о) - собственное сопротивление i-го излучателя на частоте щ; Zнав i, j (щ, о) - наведённое сопротивление на i-й излучатель со стороны j-го.