В.И. Филатов1, М.Ю. Повасин2, Р.Ч. Халилов3, Е.С. Андрашитова4

1 МГТУ им Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

2 АО «Корпорация космических систем специального назначения «Комета» (Москва, Россия)

3,4 Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Россия)

1 vfil10@mail.ru; 2 povasin@corpkometa.ru; 3 r.khaliloff@icloud.com; 4 elena.andrahitova@gmail.com

Постановка проблемы. Одной из основных проблем радиоэлектроники является генерирование высокостабильных электрических колебаний. Сложность аппаратурной реализации устройств прямого частотного синтеза, а также высокая стоимость изготовления умножителей и смесителей частоты и невозможность получения колебания с изменяемым в процессе работы значением частоты не позволяют широко применять их на практике. Поэтому при проектировании реальных радиоэлектронных систем применяются синтезаторы стабильных электрических колебаний на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Настоящая работа посвящена разработке и исследованию радиотехнических систем, обеспечивающих улучшение характеристик быстродействия, в частности, синтезу структуры ФАПЧ с однозвенным сглаживающим RC-фильтром при требовании минимальной мощности управляющего напряжения.

Цель. Выполнить структурный синтез системы ФАПЧ с использованием близких к оптимальным решений экстремальных задач типа «оптимальное быстродействие» при требовании минимальной мощности управляющего напряжения.

Результаты. Рассмотрены условия, которые позволяют предложить упрощенную модель системы ФАПЧ с однозвенным сглаживающим RC-фильтром. На основе этой модели решена задача структурного синтеза радиотехнических систем синхронизации, формализованная как задача синтеза управления по критерию быстродействия при ограничении на мощность управляющего напряжения. Показано, что перспективным направлением в проектировании систем синхронизации является применение квазиоптимальных решений экстремальных задач типа «синтез управления». Разработан метод решения задач быстродействия систем синхронизации с однозвенным сглаживающим RC-фильтром. Приведен пример, демонстрирующий его работоспособность и эффективность при решении задач синхронизации для систем ФАПЧ, функционирующих в режиме захвата частоты. Установлены ограничения практического применения полученных результатов и указаны возможные направления их преодоления.

Практическая значимость. Разработанный метод решения задач быстродействия систем синхронизации с однозвенным сглаживающим RC-фильтром позволяет выполнять квазиоптимальный структурный синтез радиотехнических систем синхронизации, функционирование которых не сопровождается релейным характером изменения управляющего напряжения. При таком подходе можно устранить возникающие при практической реализации проблемы, связанные с неточностями моментов времени смены знака корректирующих воздействий, а также мощностью соответствующих сигналов, что может повлечь за собой повышенные требования к электронной компонентной базе соответствующего устройства, в частности, к коммутатору полярности.

Филатов В.И., Повасин М.Ю., Халилов Р.Ч., Андрашитова Е.С. Квазиоптимальный структурный синтез радиотехнических систем синхронизации по критерию быстродействия // Радиотехника. 2025. Т. 89. № 7. С. 167–175. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202508-19

1. Кузменков А.С., Поляков А.Е., Стрыгин Л.В. Обзорный анализ современных архитектур синтезаторов частот с ФАПЧ // Труды Московского физико-технического института (национального исследовательского университета). 2013. Т. 5. № 3(19). С. 121–133.
2. Матросов В.В. Нелинейная динамика системы фазовой автоподстройки частоты с фильтром второго порядка // Известия вузов. Сер. Радиофизика. 2006. № 3. С. 267–278.
3. Трифонов Н.М., Быков А.А. Модель фазовой автоподстройки в форме расширенного фильтра Калмана // Вестник МГТУ
   им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2006. № 1. С. 50–56.
4. Xu W., Huang W., Jiang H. Analyses and Enhancement of Linear Kalman-Filter-Based Phase-Locked Loop // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. V. 70. P. 1-10. DOI: 10.1109/TIM.2021.3112776.
5. Костоглотов А.А., Лазаренко С.В., Пугачев И.В. Синтез систем фазовой автоподстройки частоты в условиях возмущений на основе модели объединенного принципа максимума и дискретного метода инвариантного погружения // Инженерный вестник Дона. 2020. № 12. С. 175-185.
6. Мартиросов В.Е., Алексеев Г.А., Парамонов А.А., Савватеев Ю.И. Структурный синтез систем синхронизации с высокими динамическими характеристиками // Радиотехника и электроника. 2019. № 2. С. 181–185.
7. Kostoglotov A.A., Chebotarev A.V. Synthesis of optimum algorithm of phase estimation based on the joint maximum principle // Automatic Control and Computer Sciences. 2006. № 6. P. 18-25.
8. Костоглотов А.А., Лазаренко С.В., Кузнецов А.А., Дерябкин И.В., Лосев В.А. Структурный синтез дискретных адаптивных следящих систем на основе объединенного принципа максимума // Вестник Донского государственного технического университета. 2017. Т. 17. № 1 (88). С. 105–112.
9. Костоглотов А.А., Кузнецов А.А., Лазаренко С.В. Синтез модели процесса с нестационарными возмущениями на основе максимума функции обобщенной мощности // Математическое моделирование. 2016. Т. 28. № 12. С. 133–142.
10. Костоглотов А.А., Лазаренко С.В. Метод решения обратных измерительных задач с применением аппарата негладкого анализа // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2009. Т. 7. № 10. С. 38–45.
11. Геложе Ю.А., Клименко П.П., Максимов П.П. Синтез управления фазовой автоматической системой при ограниченном ресурсе управления // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 2(204). URL: https://izv-tn.tti.sfedu.ru/index.php/izv_tn/article/view/106 (дата обращения: 10.02.2025).
12. Печенин В.В., Щербина К.А., Мсаллам Е.П., Вонсович Е.А. Система фазовой автоподстройки частоты с комбинированным управлением подстраиваемого генератора // Радиотехника. 2016. Вып. 187. С. 112–124.
13. Костоглотов А.А., Агапов А.А., Лазаренко С.В. Метод квазиоптимального синтеза многорежимных систем синхронизации в условиях регулярных возмущений на основе объединенного принципа максимума // Инженерный вестник Дона. 2019. № 6 (57). URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_99_6y2019_Kostoglotov_N.pdf_b0f27c8d54.pdf (дата обращения: 10.02.2025).
14. Мартиросов В.Е., Алексеев Г.А. Программная реализация системы фазовой автоподстройки частоты // Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 71. URL: https://trudymai.ru/upload/iblock/9ca/9ca83fe7076f2b218ce54bb15e464674.pdf?lang=en&issue=71 (дата обращения: 10.02.2025).
15. Майкова О.Е. Субоптимальные режимы в задаче Фуллера // Труды математического института им. В.А. Стеклова. 2002. С. 226-229.
16. Мартиросов В.Е., Алексеев Г.А. Методы высокоскоростной синхронизации в системах фазовой автоподстройки частоты // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 3. С. 83-91.
17. Шахгильдян В. В., Ляховский А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Связь. 1972. 447 с.
18. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов.
    М.: Наука. 1983. 392 с.
19. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1974. 832 с.