Радиоавтоматика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
В.В. АРТЮШЕНКО 
 
 
 
 
 
 
РАДИОАВТОМАТИКА 
 
 
Утверждено 
Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2021

УДК 621.396.6-52(075.8) 
   А 867 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор В.П. Разинкин 
канд. техн. наук, доцент А.В. Никулин 
 
 
 
Работа подготовлена на кафедре радиоприемных  
и радиопередающих устройств 
 
 
 
 
 
Артюшенко В.В. 
А 867  
Радиоавтоматика : учебное пособие / В.В. Артюшенко. –  
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2021. – 80 с. 

ISBN 978-5-7782-4343-9 

Изложены основы математических методов описания и анализа  
линейных непрерывных систем радиоавтоматики. Рассматриваются базовые математические модели, особенности составления и преобразования структурных схем, использование передаточных функций и  
уравнений динамики систем радиоавтоматики. Кроме того, приведены 
обширные сведения об использовании математического пакета MATLAB 
для решения задач, возникающих в ходе применения традиционного 
для данной области знаний математического аппарата. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 
11.03.01 «Радиотехника» и 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». 
 
 
УДК 621.396.6-52(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4343-9 
 Артюшенко В.В., 2021 

 Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2021 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АПЧ – автоматическая подстройка частоты 
АРУ – автоматическая регулировка усиления 
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика 
ДН – диаграмма направленности 
ЛЧХ – логарифмическая частотная характеристика 
ОУ – объект управления 
ОС – обратная связь 
ПИФ – пропорционально-интегрирующий фильтр 
РЛС – радиолокационная станция 
САР – система автоматического регулирования 
САУ – система автоматического управления 
УУ – устройство управления 
ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты 
ФНЧ – фильтр нижних частот 
ФЧХ – фазочастотная характеристика 
ЭВМ – электронно-вычислительная машина 
 

ВВЕДЕНИЕ 

К системам радиоавтоматики (РА) относят широкий класс автоматических систем, применяемых в современных радиотехнических 
устройствах, служащих для радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоуправления. Особенностью систем РА является использование для управления радиосигналов. Теоретической основой радиоавтоматики служит теория автоматического управления, изучающая 
наиболее общие принципы управления объектами разной физической 
природы. 
Любой специалист в области радиотехники или связи должен иметь 
хотя бы начальные знания об основных характеристиках, методах математического описания и способах моделирования автоматических 
систем. Без этого его образование будет неполным. Вместе с тем в 
настоящее время очевиден дефицит литературы, которая в сжатой и 
доступной для студентов форме знакомила бы с основными вопросами 
анализа систем РА. Частично этот пробел должна устранить настоящая 
работа. 
Структурно работа состоит из четырех разделов. В разделе 1 дается 
общая характеристика систем РА, приводятся основные определения и 
понятия, классификация систем РА. Раздел 2 содержит изложение основных методов математического описания линейных непрерывных 
систем РА, рассматриваются основные характеристики, используемые 
при описании систем РА. В разделе 3 приведены характеристики типовых звеньев систем РА и правила преобразования структурных схем. 
Раздел 4 посвящен описанию функций среды MATLAB, которые могут 
быть полезны при анализе систем РА. 

 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Основные определения и понятия 

Под автоматическим управлением понимают процесс управления 
состоянием некоторого объекта, при котором операции, обеспечивающие достижение заданного закона изменения физической величины, 
связанной с этим объектом, выполняются системой, функционирующей без вмешательства человека в соответствии с заранее заданным 
алгоритмом. Автоматическое управление реализуется с помощью системы автоматического управления (САУ). 
Частным случаем автоматического управления является автоматическое регулирование – процесс поддержания заданного значения 
какой-либо физической величины, связанной с объектом, без непосредственного участия человека с помощью специальных автоматических 
регуляторов. Примерами систем автоматического регулирования 
(САР) являются стабилизатор напряжения, системы автоматической 
регулировки усиления (АРУ) и автоматической подстройки частоты 
(АПЧ) в радиоприемных устройствах [1–3]. 
В любой системе РА, функциональная схема которой представлена 
на рис. 1.1, присутствует объект управления (ОУ), состояние которого 
может автоматически изменяться в соответствии с сигналом управления ( )
u t , сформированным в устройстве управления (УУ) по управляющему воздействию 
( )
x t . Примеры ОУ: в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) – генератор, частота выходного сигнала 
которого поддерживается постоянной; в системе автоматического сопровождения радиолокационной цели – антенна радиолокационной 
станции (РЛС), продольная ось которой автоматически следит за 
направлением на сопровождаемую цель. 

УУ
ОУ
Д

 
x t

 
n t
 
y t
 
И
y
t

 
g t
 
И
g
t

 
u t
 

f

 
а 

УУ
ОУ
Д

 
x t

 
n t
 
y t
 
И
y
t

 
g t
 
И
g
t

 
u t

 

f

 
б 

Рис. 1.1. Функциональные схемы систем РА: 

а – разомкнутой; б – замкнутой 

Состояние ОУ в каждый момент времени характеризуется выходным сигналом ( )
y t , также называемым управляемой величиной, или 
результатом управления. Результат управления измеряется с помощью датчика (Д), связанного с ОУ. Для моделирования ошибок, 
неизбежно возникающих в процессе измерения, в схему (рис. 1.1) добавлен сигнал 
и( )
g
t  (шум измерения). 
Для моделирования влияния на ОУ факторов окружающей среды 
(изменения температуры, влажности и т.п.), а также иных внешних 
воздействий (например, колебаний напряжения источника питания) в 
функциональную схему добавлен сигнал 
( )
g t , называемый возмущающим воздействием. 
Сигнал ( )
n t  учитывает различные помехи, попадающие в систему 
наряду с управляющим воздействием и влияющие на точность процесса управления. Например, в системах автоматического сопровождения 
цели РЛС возникновение помех обусловлено флуктуациями сигнала изза неоднородности диаграммы рассеяния цели, а также перемещением 
кажущегося центра отражения по распределенному объекту (угловым 
шумом) [2]. 
В зависимости от принципа формирования сигнала управления ( )
u t  
системы РА делят на замкнутые и разомкнутые. В разомкнутых  

системах РА, как видно из рис. 1.1, а, УУ не получает информации об 
отклонениях результата управления от заданного воздействием 
( )
x t  
значения. Сигнал управления определяется только управляющим воздействием: 

 


( )
( )
u t
f x t

. 
(1.1) 

Из-за влияния помех, действующих на систему, а также нестабильности параметров элементов точность работы разомкнутых систем РА 
обычно невысока, поэтому их применяют редко. 
В замкнутых системах, или системах с обратной связью (см. 
рис. 1.1, б) сигнал управления формируется не только по управляющему воздействию 
( )
x t , но и по измеренному значению результата 
управления 
( )
и
y
t  (сигналу обратной связи): 

 


и
( )
( ),
( )
u t
f x t
y
t

. 
(1.2) 

Функциональные зависимости, представленные выражениями (1.1) 
и (1.2), называют алгоритмами, или законами управления систем 
РА. В замкнутых системах РА удается добиться более высокого качества управления за счет компенсации влияния помех и нестабильности 
параметров элементов с помощью обратной связи (ОС). 
В радиотехнических устройствах большое распространение получили замкнутые системы, работающие по принципу отклонения или 
рассогласования (рис. 1.2) [2, 3]. В таких системах сигнал управления 
( )
u t  формируется на основе отклонения сигнала обратной связи 
и( )
y
t  
от управляющего воздействия ( )
x t . Для этой цели в состав САУ включают измеритель рассогласования (элемент сравнения), который измеряет сигнал ошибки ( )t

: 

 
и
( )
( )
( )
t
x t
y
t



. 
(1.3) 

Измеритель рассогласования совместно с УУ образует регулятор 
системы РА. Сигнал управления 
( )
u t  с выхода регулятора подается на 
ОУ и изменяет управляемую величину ( )
y t  таким образом, чтобы свести к нулю рассогласование, определяемое выражением (1.3). Цепь, по 
которой управляемая величина 
и( )
y
t  поступает на вход элемента сравнения, называют цепью главной обратной связи [3]. 

УУ
ОУ
Д

 
x t
 
n t
 
y t

 
И
y
t

 
g t
 
И
g
t

 
u t

Регулятор

 t


 

f

 
Рис. 1.2. Функциональная схема системы РА, работающей  
по принципу рассогласования 

САУ, представленные на рис. 1.1 и 1.2, имеют только один вход и 
один выход. Такие САУ называют одномерными. Если система имеет 
несколько входов и несколько выходов, то ее называют многомерной. 
Одномерные САУ, которые имеют только цепь главной ОС, являются 
одноконтурными. Одномерные САУ, в которых помимо замкнутого 
контура с главной ОС имеются контуры с местными ОС (охватывающими отдельные элементы системы или их группы), относят к многоконтурным [1, 2]. 

1.2. Классификация САУ 

В литературе выделяют довольно много классификационных признаков систем РА, которые характеризуют автоматические системы с 
различных точек зрения (часть признаков уже обозначена в разд. 1.1) 
[1–4]. Рассмотрим основные из них. 
По общему алгоритму функционирования САУ подразделяются: на 
системы стабилизации, следящие системы и системы программного управления. 
Алгоритм функционирования системы стабилизации предусматривает автоматическое поддержание с заданной точностью (стабилизацию) одной или нескольких управляемых величин. Другое название 
такой системы – САР. Управляющее воздействие (а значит, и результат 
управления) в САР является постоянной величиной, т. е. 
( )
const
x t 
. 
Примеры САР см. в разд. 1.1. 
Назначением САУ программного управления является изменение 
управляемой величины с заданной точностью в соответствии с определенной, заранее известной программой. Программа может быть записана в устройство цифровой памяти и считываться в процессе работы 

САУ. Управляющее воздействие системы 
( )
( )
x t
F t

, где 
 
F t  – программа, известная функция времени. Примеры САУ программного 
управления: система управления антенной РЛС в режиме поиска цели, 
система наведения антенны приемной станции космической связи на 
спутник связи [2]. 
 
Пример. В качестве примера САУ программного регулирования 
рассмотрим систему наведения антенны приемной станции космической связи на спутник связи. Высота полета спутников связи и их малые размеры практически исключают наведение антенны радиолокационными или оптическими методами. Поэтому система программного 
регулирования является наиболее жизнеспособной. На рис. 1.3 показана упрощенная функциональная схема такой системы по одной из угловых координат (например, азимуту). 
Система работает следующим образом. Через определенное время 
(например, через минуту) электронные часы посылают считывающий 
импульс, и из устройства памяти считывается очередное число из заранее заложенной туда программы. Это число поступает на схему сравнения, на второй вход которой поступает информация с датчика, находящегося на антенне. Устройство сравнения соотносит требуемое 
положение антенны, считанное из программы, с действительным положением, полученным с датчика. В случае их несовпадения разность 
(сигнал ошибки) поступает на преобразователь, где преобразуется в 
напряжение, которое через систему усилителей питает двигатель, двигатель через редуктор1 вращает раму, на которой закреплена антенна. 
Таким образом, обратная связь замыкается. Поскольку двигатель реверсивный, он может вращаться в обе стороны и отрабатывать как положительные, так и отрицательные рассогласования. После завершения 
его работы (он остановится, когда исчезнет сигнал на выходе схемы 
сравнения) система будет находиться в стационарном состоянии до 
следующего импульса считывания с электронных часов. Спутник при 

                                                            

1 Механический редуктор (англ. reduction drive) – механизм, предназначенный для преобразования высокой угловой скорости вращения входного 
вала в более низкую на выходном валу при одновременном увеличении вращающего момента. 

этом будет продолжать движение, но частота следования считывающих 
импульсов выбирается так, чтобы за период между ними спутник связи 
не вышел за пределы диаграммы направленности (ДН) антенны. Таким 
образом, система работает периодически, и перемещение антенны 
осуществляется небольшими «шагами». Такая работа производится в 
течение всего сеанса связи, пока спутник не выйдет из зоны видимости 
с пункта на земной поверхности. 
 

Устройство
памяти

Схема 
сравнения

Генератор

Преобразователь
Усилитель

Двигатель

Редуктор
Антенна
Датчик

 

Рис. 1.3. Функциональная схема автоматической системы наведения  
на спутник связи 

 
Назначением следящей САУ является изменение состояния ОУ по 
закону поступающего на систему внешнего управляющего сигнала,  
т. е. какой-то параметр ОУ по сути отслеживает закон, заданный 
управляющим воздействием 
( )
( )
x t
F t

, где 
( )
F t  – заранее неизвестная функция времени. Таким образом, в следящей САУ, в отличие от 
программной САУ, управляющее воздействие может изменяться произвольно, а не по заранее заданной программе. Например, в системе автоматического сопровождения цели РЛС антенна радиолокатора поворачивается (или соответствующим образом изменяет амплитудную 
ДН), следуя за объектом сопровождения, траектория движения которого заранее неизвестна, т. е. «следит» за ним [3]. 
По виду действующих в системе сигналов различают непрерывные и дискретные САУ. В первом случае все сигналы системы являются непрерывными функциями времени, во втором – дискретными.