Cấu trúc động học hệ thu – phát tự động chống quá tải máy thu

3.3. Tổng hợp hệ thống thu – phát tự động chống quá tải máy thu kênh bám

3.3.4. Cấu trúc động học hệ thu – phát tự động chống quá tải máy thu

thu

3.3.4.1. Sơ đồ cấu trúc động học hệ thu - phát tự động chống quá tải máy thu

Với chức năng của một hệ thống tự động điều chỉnh tham số nhằm tự động chống quá tải tuyến thu - bám sát mục tiêu đài ĐKHL, trên cơ sở sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thu – phát tự động chống quá tải máy thu (hình 3.14) và hàm truyền của từng khâu được xác định trong mục 3.3.3, ta có thể tổng hợp được sơ đồ động học hệ thống, thể hiện trên hình 3.15.

Hình 3.15. Sơ đồ cấu trúc động học hệ thu - phát khép kín tự động chống quá tải máy thu Trong cấu trúc động học trên, các khâu động học được biểu diễn dưới dạng hàm truyền tương đương với các phần tử chức sau:

- Khâu đo – KPH(s) tương ứng với Bộ phát hiện quá tải;

- Đối tượng điều khiển thứ nhất gồm hai khâu nối tiếp là K(τx,Fx)(s) và KG(s) tương đương với máy phát;

- Đối tượng điều khiển thứ hai hàm truyền là hệ số KSG tương đương với bộ SGTH đầu vào máy thu với hệ số khuếch đại KΣ(s) được điều chỉnh bởi mạch APY có hàm truyền KAPY(s).

- NG

Biến đổi, đo lường Máy

thu KĐK(s) K(τx,Fx)(s) KG(s) KSG KΣ(s) US tới Hệ bám MT KAPY(s) Phát hiện KPH(s) Điều khiển

Đối tượng điều khiển

KFFT(s)

Udk USS

Cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ thống phát, SGTH được tham khảo trong [1], [9], [11] và phân tích trong 3.3.3.

- Khâu khuếch đại, biến đổi có hàm truyền KFFT(s) tương ứng với bộ biến đổi số Fouries nhanh. Nguyên tắc biến đổi phổ tín hiệu đã được tổng hợp và phân tích ở mục 3.1.

Cấu trúc và thuật tốn của tuyến thu - xử lý tín hiệu đầu vào các hệ bám tọa độ đã được phân tích và khảo sát trong mục 3.1.2 và 3.3.3.

Đặc điểm rất quan trọng của hệ thu - phát mới chính là nằm ở khả năng tự động phát hiện chống quá tải bảo vệ máy thu, ổn định chất lượng thông tin đầu vào các hệ đo – bám tọa độ mục tiêu khi cự ly và diện tích PXHD mục tiêu thay đổi trong dải rộng theo chức năng của một hệ tự động điều khiển kín.

3.3.4.2. Nguyên lý làm việc

Sự khép kín hai hệ thu - phát bám sát mục tiêu của đài ĐKHL thành hệ tự động điều khiển biên độ tín hiệu đầu vào máy thu làm tăng khả năng của cả hai hệ thống (nếu độc lập với nhau) mà không làm ảnh hưởng đến các chức năng vốn có của chúng.

Theo chức năng của hệ động học tự động chống quá tải máy thu với tín hiệu đầu vào (hình 3.15) là ngưỡng quá tải NG. Đây là mức ngưỡng so sánh để đưa ra tín hiệu máy thu quá tải. Việc lựa chọn NG đã được phân tích trong mục 3.1.4.

Tín hiệu đầu ra US của hệ thống là tín hiệu đầu ra máy thu (đầu vào hệ bám tọa độ mục tiêu), mang thông tin về tham số của mục tiêu. Mục đích của việc điều khiển là luôn tự động đảm bảo cho tín hiệu ra US có biên độ tối ưu, ổn định, không bị méo dạng đường bao do quá tải để đưa vào hệ bám tọa độ mục tiêu.

Tín hiệu đặt NG được đưa đến bộ đo để so sánh với tín hiệu phản hồi, là dãy tín hiệu NS/N (được trích từ đầu ra hệ thống) sau khi đã được biến đổi FFT

Bộ phát hiện tạo ra tín hiệu máy thu quá tải (j=1) hay là tín hiệu phản xạ vào máy thu đang quá nhỏ (Q=1). Bộ điều khiển, trên cơ sở tín hiệu đầu ra bộ phát hiện sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển được xác định theo luật điều khiển trình bày ở mục 3.2.3.2.

Tín hiệu điều khiển được đưa tới các khâu chấp hành của đối tượng điều khiển. Trong sơ đồ này đối tượng điều khiển là hệ thống điều chỉnh công suất của máy phát và bộ SGTH đầu vào của máy thu. Dưới tác động của tín hiệu điều khiển, các khâu chấp hành là khối công suất của máy phát và khối SGTH đầu vào máy thu sẽ được điều khiển theo quy luật làm cho tín hiệu đầu ra US thay đổi theo xu hướng đưa tín hiệu sai lệch đầu ra bộ phát hiện về mức 0 – tương ứng với tín hiệu j=0; Q=0.

Quá trình điều khiển này sẽ tác động đến sự thay đổi của cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào máy thu (theo 2.1). US đầu ra hệ thống được phản hồi về đầu vào sau biến đổi FFT. Đầu ra khâu lọc FFT là tín hiệu dạng biên độ vạch phổ thứ m, tỉ lệ với biên độ tín hiệu đầu ra, được đưa đến bộ so sánh với ngưỡng NG.

Khi sai lệch đầu ra bộ so sánh khác 0, đồng nghĩa với trường hợp máy thu có thể đang ở trạng thái quá tải hoặc quá nhỏ (j=1 hoặc Q=1) cần phải điều khiển công suất hoặc bộ SGTH về mức tối ưu. Ngược lại, khi sai lệch so sánh bằng không, trạng thái này tương đương với trường hợp máy thu không bị quá tải và đang làm việc theo đúng tính năng kỹ thuật.

Như vậy, hệ tự động chống quá tải máy thu làm việc như một hệ tự động điều khiển kín trước những tác động như: thay đổi diện tích PXHD của mục tiêu; thay đổi cự ly bám sát trong dải rộng. Hiệu quả khép kín và tự động hóa hai hệ thống thu, phát có tác dụng ổn định và nâng cao chất lượng thông

3.3.5. Nhận định hoạt động của hệ thu - phát tự động chống quá tải

Hệ thu – phát kín tự động chống q tải máy thu trên hình 3.15 khơng có khác biệt so với các hệ thơng thường về cấu trúc, nhưng về nguyên lý làm việc có những điểm nhấn như sau:

- Hệ thống làm việc ở chế độ rời rạc – gián đoạn. Đặc trưng rời rạc thể hiện ở chế độ làm việc của cả máy phát và máy thu theo chu kỳ xung T0. Tức là cả hai thiết bị đều làm việc ở chế độ xung, đồng bộ bởi các xung đồng bộ toàn đài do MTSTT điều khiển. Đặc trưng gián đoạn thể hiện ở việc máy phát, máy thu làm việc với chùm xung cận liên tục theo phân chia thời gian giữa các kênh mục tiêu như hình 3.9 đã mơ tả.

- Làm việc theo mã thông tin đầu ra bộ phát hiện (J,Q) và mã quá tải R của mạch APY ở chu trình trước;

- Bộ điều khiển làm việc như một khâu chuyển mạch theo mức logic; - Thời điểm làm việc (tạo từ “chế độ” và từ “điều khiển”) trước thời điểm hoạt động của kênh thu – phát dành riêng cho mục tiêu đang bám sát.

Bởi vậy, tuy là hệ thống khép kín về cấu trúc, nhưng thực tế Bộ điều khiển làm việc vào khoảng nghỉ giữa hai nhịp của kênh mục tiêu, không can thiệp vào hai hệ phát và thu khi chúng làm việc trong khoảng nhịp Tk và không làm ảnh hưởng tới q trình gia cơng, xử lý tín hiệu.

Vì vậy, khi ta xây dựng bộ điều khiển có thể khơng cần chú trọng đến động học q trình thay đổi cơng suất phát hay q trình thay đổi cơng suất tín hiệu thu về, vì những thay đổi đó đều xảy ra trước khi máy phát và máy thu hoạt động.

Tóm lại, hệ thu – phát khép kín, tự động chống q tải máy thu có tác dụng: + Thứ nhất là thay thế trắc thủ thao tác bằng tay, bảo đảm độ chính xác về thời điểm điều chỉnh và xử lý được nhiều mục tiêu trong khoảng thời gian có hạn.

+ Thứ hai là nâng cao mức độ tự động hóa của khí tài, giải phóng con người trong điều kiện làm việc căng thẳng.

3.4. Kết luận chương 3

Vấn đề quan trọng nhất trong xây dựng một hệ thu – phát khép kín tự động chống quá tải máy thu là phải tổng hợp được bộ tự động phát hiện thời điểm quá tải máy thu và bộ tự động điều khiển chống quá tải máy thu. Các vấn đề này đã được giải quyết trong chương 3, trong đó:

- Thuật tốn và cấu trúc của bộ phát hiện quá tải máy thu đã được tổng hợp trên cơ sở của bài tốn phân tích phổ chùm tín hiệu đầu ra máy thu, có tính tới ảnh hưởng ngẫu nhiên của nhiễu và mục tiêu.

- Thuật toán và cấu trúc bộ điều khiển tự động chống quá tải máy thu được xây dựng dựa trên logic điều chỉnh công suất máy phát và mức suy giảm tín hiệu đầu vào máy thu có thể hiện thực hóa bằng phần cứng và cách tổ chức phần mềm cài đặt trong MTSCD của đài ĐKHL.

Từ đó, cấu trúc động học một hệ tự động thu – phát khép kín đã được hình thành với đầy đủ hàm truyền của các phần tử đo-xử lý, chấp hành, hồi tiếp và đối tượng điều khiển. Máy phát và bộ suy giảm tín hiệu là đối tượng điều khiển của hệ thống. Chế độ làm việc của hệ là logic-rời rạc, cho phép nâng cao mức độ tự động hóa của bản thân đài điều khiển hỏa lực, ổn định độ chính xác cần thiết cho các hệ tự động đo – bám tọa độ mục tiêu.

Những vấn đề đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng vào thực tế của hệ thống mới xây dựng sẽ được khảo sát ở trong chương 4.

Chương 4

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG THU PHÁT - KHÉP KÍN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CHỐNG QUÁ TẢI MÁY THU

4.1. Mơ tả mục đích và các điều kiện mơ phỏng

4.1.1. Mục đích mơ phỏng

Mô phỏng khảo sát hệ thống thu - phát tự động chống quá tải cho máy thu bám sát mục tiêu đài ĐKHL nhằm mục đích đánh giá hiệu quả tự động khống chế biên độ tín hiệu đầu vào máy thu trong dải động thực tế của nó, khi khơng biết trước diện tích PXHD, cự ly xuất hiện, vận tốc bay, hướng bay của mục tiêu và trong điều kiện các tham số của mục tiêu thay đổi trong dải rộng.

Kết quả khảo sát giúp ta đánh giá được những đóng góp khoa học mới và khả năng thực tế hóa những kết quả nghiên cứu.

4.1.2. Điều kiện và dữ liệu mô phỏng

4.1.2.1. Tham số đài ĐKHL

Để bảo đảm độ tin cậy cho những kết quả khảo sát, trong mô phỏng sử dụng bộ tham số của một đài ra đa ĐKHL có trong trang bị [9],[11]. Những tham số, dữ liệu cụ thể là:

- Cơng suất đỉnh xung dị (P0, P01, P02): 75KW; 7,5KW; 750W - Hệ số khuếch đại anten phát (Gp): 42dB

- Hệ số khuếch đại anten thu (Gt): 42dB - Hiệu suất truyền tín hiệu trong đài (η=η’): 0.85 - Suy hao tín hiệu trên đường truyền (L): 8dB - Bước sóng dao động cao tần (λ): 3 cm - Nhiệt độ tạp âm máy thu (T): 2900K

- Độ rộng xung (τx): 0.7s

4.1.2.2. Mơ hình và tham số chuyển động của mục tiêu

Chuyển động của mục tiêu được mơ hình hóa bằng các cơng cụ có sẵn trong các thư viện của phần mềm Matlab-Simulink; mục tiêu có mơ hình Swerling-1 [16]. Quy luật thay đổi năng lượng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, mối liên hệ giữa cơng suất tín hiệu phản xạ ở đầu vào máy thu với các tham số khác được mơ hình hóa theo các phương trình (2.1)(2.9). Để thuận tiện cho khảo sát, mục tiêu được coi là chất điểm chuyển động trong mặt phẳng đứng với hệ tọa độ Đề-các 2D với các điều kiện ban đầu sau:

- Tọa độ ban đầu: [R , R , R ]=[R ,H ,0]0x 0y 0z 0 0 - Tốc độ ban đầu của mục tiêu: [V , V , V ]=[V ,0,0]0x 0y 0z 0

- Tính chất chuyển động của mục tiêu: cự ly – (R0±V0.t); H0=const. Trong quá trình khảo sát, với các phương án mục tiêu khác nhau, R0, V0, H0 có thể thay đổi. Cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu được tính theo phương trình (2.1), [10],[19];

Biên độ tín hiệu được biến đổi theo (2.2)(2.9) với trợ giúp bởi các công cụ trong thư viện Simulink phần mềm Matlab.

Các phương án mục tiêu chọn trong dải sau:

- Dải cự ly quan sát mục tiêu (Rmax-Rmin): (3005)km;

- Dải diện tích PXHD mục tiêu (σmt): 0.02m2; 1m2; 10m2; 100m2; - Dải vận tốc của mục tiêu (Vmt): 100m/s; 200m/s; 300)m/s. Diện tích PXHD mục tiêu được tra cứu trên trang Globalsecurity.org: * Máy bay ném bom chiến lược B52 (σ=100m2);

* Máy bay ném bom chiến lược B1A/B (σ=10m2); * Máy bay tiêm kích F18 (σ=1m2); * Máy bay tàng hình F22, F35, B2 (σ=0.02m2).

4.1.3. Mô hình hệ thống và phần tử sử dụng trong khảo sát

4.1.3.1. Bộ phát hiện quá tải máy thu

Thuật toán phát hiện quá tải máy thu thực hiện theo lưu đồ thuật tốn hình 3.6 (dưới mục 3.1.2.2) ở chương 3 với các đặc điểm:

Sau biến đổi FFT và chuẩn hóa biên độ phổ chùm tín hiệu theo biên độ vạch phổ trung tâm, thuật toán tách vạch phổ thứ “m” để theo dõi biên độ. Điều kiện cần để hình thành tín hiệu quá tải “j” là đột biến biên độ vạch phổ thứ “m” vượt ngưỡng cho trước, tức là  Sm NG.

Điều kiện đủ để hình thành tín hiệu quá tải “j” là biên độ tín hiệu đầu ra máy thu vượt ngưỡng cực đại danh định, hay là Ura Ura_m ax-0.

Điều kiện để hình thành tín hiệu hồn q tải “Q” là phải thỏa mãn

APY ng_APY

U U

4.1.3.2. Bộ điều khiển chống quá tải máy thu

Thuật toán điều khiển chống quá tải máy thu được mô phỏng theo lưu đồ hình 3.10a,b,c,d,e. Trong đó thuật tốn theo lưu đồ hình 3.10a xác định: quá tải theo mã “j”; hoàn quá tải theo mã “Q”; chọn quy luật điều khiển theo mã “L”.

Mã “L” hình thành trên cơ sở so sánh cự ly xuất hiện mục tiêu (theo chỉ thị) với các ngưỡng cố định: Rmax; 0.5Rmax; 0.25Rmax; 0.1Rmax;

Có 4 quy luật điều khiển chống quá tải và hoàn quá tải: QL1 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10b; QL2 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10c; QL3 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10d; QL4 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10e;

Thuật tốn điều khiển máy phát và bộ SGTH được thực tế hóa bằng sơ đồ cấu trúc lô gic hoặc phần mềm điều khiển.

4.1.3.3. Mơ hình hệ thu – phát khép kín tự động chống quá tải máy thu

Mơ hình khảo sát, đánh giá hệ thống thu - phát khép kín tự động chống quá tải máy thu thể hiện trên hình 4.1.

Sử dụng mơ tả tốn học tín hiệu của máy phát, tín hiệu phản xạ, cơng suất, biên độ tín hiệu phản xạ ở đầu vào anten thu, máy thu và bộ tham số, dữ liệu đài ĐKHL (mục 4.1.2) cũng như các cơng cụ có sẵn; hàm và chương trình có sẵn của phần mềm Matlab-Simulink (2016a), bao gồm các thư viện Simulink, SimRF, Phase Array System toolbox, APPs, Matlab help…

Hình 4.1. Mơ hình khảo sát hệ tự động thu - phát chống quá tải máy thu

4.2. Các phương án khảo sát, mô phỏng

4.2.1. Phương án khảo sát đặc trưng phát hiện quá tải theo tính

chất mục tiêu

Khảo sát tính bất biến của đặc trưng phát hiện quá tải máy thu

mt ch mt mt

ΔS (mf,kF )=Φ(σ ,V ) theo thay đổi σmt và Vmt, với m=13 ứng với xung dò

x=0.75s, Fx=100kHz. “m” là chỉ số của vạch phổ thấp nhất trong búp phổ phụ thứ nhất ở tần số 1.3MHz [40,46] theo (3.9) mà khảo sát lựa chọn.

Khảo sát được chia thành các trường hợp thay đổi tham số mục tiêu (σmt và Vmt) thể hiện trong bảng 4.1.

Máy thu (Receiver)

Máy phát (Transmiter)

SG

Tạo xung

điều chế đại công suất Tầng khuếch

KĐBĐ Lọc NG Bộ phát hiện (DOR) Bộ ĐK (Controler) Px Rmt,σmt,L APY Ppx

Bảng 4.1. Tham số mục tiêu sử dụng trong khảo sát đặc trưng phát hiện quá tải

Tham số mục tiêu Trường

hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường hợp 4 Trường hợp 5 Trường hợp 6 D/tích PXHD σmt, m2 100 10 1 100 100 100 Cự ly ban đầu R0, km 212500 119600 67170 212450 212500 212550 Cự ly kết thúc R1, km 213100 119000 67770 212750 213100 214050

Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000 2000 2000 2000

Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200 100 200 300

Đặc trưng quá tải máy thu được xây dựng theo biểu thức sau:

    13 13 0 13 13 13 0 ch ( m )