Педагогическая копилка_физика

Введение

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами.

Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилась в 30-х годах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новых средств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

Получение информации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами; а наблюдаемые объекты — радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения и т. п.

В радиолокации наиболее часто измеряются дальность между целью и РЛС, угловые координаты (азимут, угол места) и радиальная, относительно радиолокатора, составляющая скорости движения. (Азимут - это угол между направлением на цель и северным направлением, измеренный в горизонтальной плоскости. Угол места измеряется между вектором наклонной дальности и его проекцией на горизонтальную плоскость.) В задачу радиолокационного наблюдения в некоторых случаях входит также идентификация (распознавание) целей.

Системы радиолокации практически всегда входит в состав более сложных суперсистем. Эти суперсистемы имеют важное военное и народнохозяйственное значение и находят разнообразное применение: для управления воздушным движением, в навигации самолетов, кораблей, в геофизических и астрофизических исследованиях и др.

Системы радиолокации составляют информационную часть таких суперсистем и функционируют совместно и во взаимной связи с другими подсистемами суперсистемы (радионавигации, радиоуправления, передачи информации).

1. Разведка радиоэлектронных средств

Радиоразведка возникла во время первой мировой войны как разведка средств радиосвязи, а затем распространилась на радиолокацию, радиоуправление и другую радиоэлектронную технику, излучающую электромагнитные волны. Разведывательная аппаратура должна определять направление на источник радиоизлучения и параметры радиосигнала: несущую частоту и параметры модулирующего сигнала. В состав разведывательной аппаратуры обязательно входят: приемник, анализатор сигналов и устройство индикации. В дальнейшем будем называть эту аппаратуру разведывательным приемником.

Современные радиоэлектронные устройства работают в широком диапазоне волн: от длинных радиоволн до инфракрасного излучения. Невозможно разработать компактную аппаратуру, позволяющую проводить радиоразведку во всем диапазоне волн, используемых радиоэлектронными средствами. Поэтому разведывательный приемник разрабатывается для определенного диапазона радиоволн. Например, разведывательные приемники, применявшиеся во время второй мировой войны в авиации США, работали в следующих диапазонах радиоволн:

AN/ARQ-8 в диапазоне от 25 до 100 МГц,

AN/APR-4 в диапазоне от 40 до 3000 МГц,

AN/APR-5 в диапазоне от 1000 до 3100 МГц,

AN/APR-8 в диапазоне от 300 до 6000 МГц.

Что такое частота сигнала?

Для передачи любого радиосигнала требуется некоторая область частот. Например, для передачи синусоидального сигнала бесконечной длительности, имеющего частоту f0, требуется бесконечно малая полоса частот вблизи частоты f0. Если синусоидальный сигнал, частота которого равна f0, имеет конечную длительность τ, то он занимает конечную полосу частот. Эта полоса примерно равна 1/τ. Полосу частот, занимаемых сигналом, называют шириной спектра Δf, а центральную частоту спектра несущей частотой f0. Этими терминами мы дальше и будем пользоваться.

Применяемый в радиолокации импульсный радиосигнал имеет малую длительность. В РЛС метрового диапазона длительность импульса составляет несколько микросекунд, а в станциях сантиметрового диапазона – десятые доли микросекунды. Примем длительность импульса τ = 0,1 мкс, тогда ширина спектра Δf = 1/τ = 1/(0,1*10-6) = 10 МГц. Сравнив эту величину с диапазоном частот разведывательных приемников, приведенных для примера выше, отметим главную особенность разведывательных приемников: диапазон частот, в котором нужно найти сигнал, на несколько порядков превышает ширину спектра сигнала.

Как можно произвести поиск сигнала?

На рисунке ниже показан спектр радиосигнала (f0 – центральная частота, равная частоте синусоидальной несущей; Δf – ширина спектра).

Если взять полосу пропускания приемника равной диапазону частот, в котором производится разведка (на рисунке – Широкополосный приемник), то сигнал в принципе обнаружить можно (если не учитывать что сигнал может потеряться в шумах приемника, так их мощность тем больше, чем шире полоса пропускания приемника), но измерить его параметры, например, центральную частоту, нельзя.

Для измерения частоты необходим приемник, полоса пропускания которого соизмерима с шириной спектра радиосигнала. В этом случае возможны два варианта построения разведывательного приемника.

Первый вариант – многоканальный приемник. Он состоит из N идентичных приемников (каналов) с узкой полосой пропускания, настроенных каждый на свою частоту и перекрывающих весь разведываемый диапазон. На рисунке выше для примера показаны частотные характеристики каждого из каналов 9-иканального приемника. Центральная частота сигнала определяется по номеру канала, на выходе которого появляется сигнал. Достоинство такого варианта построения разведывательного приемника – минимальное время обнаружения радиосигнала и определения его частоты. Недостаток – громоздкость устройства, так как реально число каналов должно быть порядка сотен или тысяч.

Второй вариант – перестраиваемый приемник. В данном случае используется один приемник с узкой полосой пропускания, настройка которого периодически изменяется, и его частотная характеристика плавно перемещается от одной границы диапазона до другой (На рисунке – от положения 1 до положения 9). Частота сигнала определяется по моменту времени, когда напряжение на выходе приемника будет максимальным. Схема поискового разведывательного приемника проста, но время обнаружения сигнала велико.

Но из-за простоты в большинстве случаев отдается предпочтение именно этому варианту.

Как строится разведывательный приемник?

Основная задача, которую приходится решать при построении аппаратуры разведки, – это обеспечение быстрого обнаружения сигнала и измерения его параметров (главным образом, центральной частоты и, возможно, ширины спектра). Ее решение связано с наиболее целесообразным разделением всего диапазона частот на отдельные поддиапазоны. Рассмотрим кратко, с какими трудностями приходится встречаться при решении этой задачи, ограничившись только радиолокационной разведкой.

С учетом конкретных условий применения разведывательной аппаратуры общий диапазон волн разведки может быть сокращен по тактическим соображениям – в зависимости от того, для разведки каких источников радиоизлучений предназначена аппаратура. Например, если аппаратура предназначена для разведки самолетных РЛС, то диапазон частот можно ограничить миллиметровыми и сантиметровыми волнами, так как на более длинных волнах потребуются антенны больших размеров, что на борту самолета позволить нельзя. Если аппаратура предназначена для обнаружения работы станций дальнего обнаружения, очевидно, можно ограничиться дециметровыми и метровыми волнами, на которых обычно работают эти станции.

После выбора диапазона его приходится делить на поддиапазоны. При этом стремятся получить наименьшее число поддиапазонов с целью сокращения объема аппаратуры. Обычно стараются сделать так, чтобы участки диапазонов, в которых работают наиболее широко применяемые радиолокационные станции противника, не попадали на границы поддиапазонов.

С уменьшением числа поддиапазонов каждый из них расширяется. Чем шире поддиапазон, тем, естественно, больше время перестройки (для перестраиваемых приемников). Поэтому при разработке разведывательной аппаратуры приходится выбирать, исходя из ее тактического применения, наиболее приемлемые компромиссные решения.

2. Одночастотные когерентно - импульсные РЛС

При когерентных методах непрерывного излучения в качестве опорного сигнала можно использовать сигнал генератора высокой частоты. В когерентно - импульсном методе такой возможности нет, ибо генератор радиочастоты работает в импульсном режиме. Таким образом, в паузе между зондирующими импульсами необходим дополнительный источник опорного сигнала. Для этого обычно применяется когерентный генератор или гетеродин, работающий в режиме фазовой синхронизации с генератором радиочастоты.

Структурная схема когерентно-импульсной РЛС показана на рис. 1. На выходе детектора (Д) образуются биения отраженного и опорного сигналов когерентного гетеродина (КГ). Однако сигнал U2 имеет импульсный характер, поэтому даже при непрерывном опорном сигнале когерентного гетеродина биения возникают лишь во время существования отраженного сигнала.

Рис. 1. Структурная схема когерентно-импульсной РЛС

Рассматривая только выходное напряжение детектора, которое после фильтрации является чисто импульсным, можно получить следующие зависимости [1] для сигналов движущейся и неподвижной целей:

(1.1)

(1.2)

где

сигнал неподвижной цели; Um дц - амплитуда сигнала движущейся цели;        М = Um дц /Um2 нц - коэффициент модуляции сигнала биений.

Формулы (1.1) и (1.2) дают последовательности модулированных по амплитуде видеоимпульсов, спектральный состав которых показан на рис. 2.

Рис. 2. Спектральный состав видеоимпульсов на выходе  детектора

Сравнивая импульсы движущихся и неподвижных целей, можно сделать заключение, что основным отличием временных функций, соответствующих этим последовательностям, будет наличие переменной составляющей в сигнале движущейся цели. Переходя к спектральным представлениям, можно утверждать, что спектр немодулированных видеоимпульсов, соответствующих функции времени f1(t), будет состоять лишь из гармоник частоты повторения (рис. 2, а). Спектр знакопеременной последовательности модулированных видеоимпульсов, соответствующих функции времени f2(t), будет состоять из гармоник nFп ± Fм (рис. 2 б). Наконец, спектр последовательности видеоимпульсов, соответствующих функции времени fΣ(t)= f1(t)+ f2(t), будет состоять из гармоник nFп и nFп ± Fм (рис. 2 в).

Следовательно, для селекции движущихся целей необходимо компенсировать на выходе элемента сравнения импульсные последовательности с постоянной амплитудой или подавлять в спектре сигнала после элемента сравнения все гармоники частоты повторения nFп.

Однако при построении устройств селекции движущихся целей в когерентно-импульсных РЛС следует учитывать наличие так называемого стробоскопического эффекта.

Запишем выражение (1.2) с учетом фильтрации постоянной составляющей:

Очевидно, что это выражение будет однозначной функцией п только в пределах однозначности функции косинуса его аргумента. Поэтому можно считать, что для однозначной связи Umб и n необходимо, чтобы

Это соотношение должно выполняться для любого п. Поэтому, полагая п = 2, получаем пределы однозначного соответствия частоты биений импульсной последовательности частоте Доплера

При увеличении fд > Fп/2 за счет периодичности косинуса получаем периодическое повторение указанного соответствия.

На рис. 3 показана зависимость частоты биений от частоты Доплера. Видно, что в случае, когда частота Доплера кратна частоте повторения, последовательность импульсов оказывается немодулированной, так как fб =0.

Рис. 3. Зависимость частоты биений от частоты Доплера

С учетом  этого и выражение для значения частоты Доплера получаем

Таким образом, модуляция импульсов движущейся цели отсутствует, а следовательно, сигналы движущейся и неподвижной целей при радиальных скоростях, удовлетворяющих условию (1.3), не различаются. Эти скорости называются «слепыми». Цель, двигающаяся с одной из «слепых» скоростей, за период повторения приближается или удаляется от радиолокатора на расстояние, кратное целому числу половины длины волны несущего колебания радиолокатора. При этом разность фаз прямого и отраженного сигналов за период повторения будет изменяться на величину, кратную 2π.

Способ построения когерентно-импульсных систем селекции выбирается в зависимости от соотношения параметров импульсной модуляции. Обычно различают когерентно-импульсные РЛС, работающие в режимах малой и высокой скважности. Естественно, граница разделения весьма условна и соответствует значению скважности Q = 10. При Q < 10 имеем режим малой скважности, а при Q > 10 - большой скважности [1].

Основным преимуществом когерентно-импульсной РЛС, работающей в режиме высокой скважности, является высокая разрешающая способность по дальности.

Различают истинно когерентные и псевдокогерентные РЛС, которые часто называют также когерентными РЛС селекции движущихся целей. Различие этих систем заключается в способе построения передающего

Рис. 4. Структурная схемы истинно когерентной РЛС высокой скважности

устройства и способе получения опорного когерентного напряжения, что приводит к различному интервалу когерентности сигналов РЛС.

На рис. 4 приведен пример схемы истинно когерентной РЛС высокой скважности. Передатчик построен по многокаскадному принципу. Стабильные колебания задающего генератора промежуточной частоты (ГПЧ) умножаются по частоте и усиливаются в усилителе мощности (УМ). Одновременно в этом же каскаде происходит импульсная модуляция сигнала с высокой скважностью и частотой повторения, зависящей от модулятора (М). С помощью второго умножителя частоты (УМЧ), на который подаются колебания задающего генератора промежуточной частоты, формируется гетеродинный сигнал, используемый для преобразования частоты принимаемых сигналов в смесителе приемника. Усиленные в УПЧ сигналы сравниваются с опорным колебанием генератора промежуточной частоты на фазовом детекторе (ФД).

Рис. 5. Спектры сигналов на входе,  выходе РГФ и его АЧХ

Сигнал биений в виде модулированной или немодулированной  последовательности видеоимпульса подается на режекторный   гребенчатый фильтр (РГФ), который селектирует сигналы движущихся целей и подавляет все составляющие частоты повторения. После усиления сигналы движущихся целей подаются на индикатор   кругового   обзора (ИКО), где и происходит их обнаружение. На рис. 5 показаны спектры сигналов на входе и выходе РГФ, а также амплитудно-частотная характеристика этого фильтра.

На рис. 6 приведен пример схемы псевдокогерентной РЛС, работающей в режиме высокой скважности. При таком построении используются однокаскадные передатчики. Генератор радиочастоты (ГРЧ) работает в режиме самовозбуждения при модуляции импульсами высокой скважности. Опорный когерентный сигнал формируется КГ, который синхронизируется по фазе импульсами генератора радиочастоты, предварительно преобразованными на промежуточную частоту, так как когерентный гетеродин работает на промежуточной частоте. Принятые сигналы сравниваются с опорным также на промежуточной частоте в фазовом детекторе (ФД).

Рис. 6. Схема псевдокогерентной РЛС высокой скважности

импульс детектор радиоэлектронный

Особенностью псевдокогерентных РЛС является малый интервал когерентности сигнала, равный одному периоду повторения. Это объясняется тем, что колебания генератора радиочастоты имеют случайную начальную фазу от импульса к импульсу или от периода к периоду повторения Следовательно, спектр таких импульсов является сплошным. Поэтому фазовая синхронизация осуществляется импульсом ГРЧ в начале каждого периода повторения и когерентность колебаний ГРЧ и опорного сигнала КГ сохраняется лишь на этот период повторения. То же повторяется и в каждом следующем периоде. В двух соседних периодах или в двух любых периодах повторения когерентность колебаний отсутствует, поэтому РЛС и называется псевдокогерентной.

Заключение

Радиолокация представляет собой средство расширения возможностей человека определять наличие и положение объектов за счет использования явлений отражения радиоволн этими объектами. Ее ближайшим конкурентом при выполнении этих функций является оптическая техника, включающая телескопы, которые обладают высокой точностью и обычно имеют фотографические регистрирующие устройства. Преимущество радиолокационных средств по сравнению с оптическими состоит в том, что радиолокационные устройства могут работать в темноте и сквозь облака, обладают большой дальностью действия и позволяют определять дальность до объекта со значительно большей точностью, нежели оптические устройства. Хотя световые волны также являются электромагнитными, но в радиолокации частота их намного ниже. Это позволяет применять радиотехнические методы и схемы.

Развитие радиолокации явилось важной частью технической революции двадцатого века. Военная техника, использующая принципы радиолокации, впервые была создана перед самым началом второй мировой войны; с этого времени наблюдается быстрый и непрерывный прогресс в указанной области.

Список литературы

1. Перминов И.Г. «Физические основы получения информации». 2006 год.
2. Артамонов В.М. «Электроавтоматика судовых и самолетных радиолокационных станций». 1962 год.
3. Современная радиолокация. Анализ, расчет и проектирование. Под редакцией Кобзарева Ю.В., М., Сов.радио, 1969г.-704стр.
4. Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1978г. – 608стр.
5. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М., Сов.радио, 1970г. – 560стр.

Реферат: Анализ радиосигналов и расчет характеристик оптимальных согласованных фильтров

Министерство общего и профессионального образования РоссийскойФедерации

УГТУ-УПИ имени С.М. Кирова

кафедра

Теоретические основы радиотехники

АНАЛИЗ РАДИОСИГНАЛОВ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИМАЛЬНЫХСОГЛАСОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ

КУРСОВОй ПРОЕКТ

ЕКАТЕРИНБУРГ 2001 год

/>Содержание

Реферат

Введение

Расчёт акф заданного сигнала

Расчёт спектральной плотности и энергетического спектра

Расчёт импульсной реакции и рекомендации к построениюсогласованного фильтра

Заключение

Перечень условных обозначений

Библиографический список

Реферат

Информация ценилась всегда, а сразвитием человечества информации становится все больше и больше. Информационныепотоки превратились в огромные реки.

В связи с этим возниклонесколько проблем передачи информации.

Информацию всегда ценили за еедостоверность и полноту поэтому ведется борьба за передачу ее без потерь иискажения. С еще одной проблемой при выборе оптимального сигнала.

Все это переносится и на радиотехникугде разрабатываются приемные передающее и обрабатывающие эти сигналы. Скоростьи сложность предаваемых сигналов постоянно усложняется оборудование.

Для получения и закреплениязнаний по обработке простейших сигналов в учебном курсе есть практическоезадание.

В данной курсовой работерассматривается прямоугольная когерентная пачка, состоящая из N трапецеидальных(длительность вершины равна одной третьей длительности основания) радиоимпульсов,где:

а) несущая частота,1,11МГц

б) длительность импульса (длительностьоснования),15мкс

в) частота следования,11.2 кГц

г) число импульсов в пачке,9

Для заданного типа сигналанеобходимо произвести (привести):

Расчёт АКФ

Расчет спектра амплитуд иэнергетического спектра

Расчет импульснойхарактеристики, согласованного фильтра

Рекомендации по построениюсогласованного фильтра.

Спектральная плотность — естькоэффициент пропорциональности между длиной малого интервала частот Df и отвечающей ему комплекснойамплитудой гармонического сигнала DAс частотой f0.

Спектральное представлениесигналов открывает прямой путь к анализу прохождению сигналов через широкийкласс радиотехнических цепей, устройств и систем.

Энергетический спектр полезендля получения различных инженерных оценок, устанавливающих реальную ширинуспектра того или иного сигнала. Для количественного определения степени отличиясигнала U (t) и его смещенной во времени копии U (t-t)принято вводить АКФ.

Зафиксируем произвольный моментвремени /> и постараемся так выбратьфункцию />, чтобы величина /> достигала максимальновозможного значения. Если такая функция действительно существует, то отвечающийей линейный фильтр называют согласованным фильтром.

/>Введение

Курсовая работа позаключительной части предмета «Теория радиотехнических сигналов и цепей»охватывает разделы курса, посвященного основам теории сигналов и их оптимальнойлинейной фильтрации.

Целями работы являются:

изучение временных испектральных характеристик импульсных радиосигналов, применяемых врадиолокации, радионавигации, радио телеметрии и смежных областях;

приобретение навыков по расчетуи анализу корреляционных и спектральных характеристик детерминированныхсигналов (автокорреляционных функций, спектров амплитуд и энергетическихспектров).

В курсовой работе для заданноготипа сигнала необходимо произвести:

Расчет АКФ.

Расчет спектра амплитуд иэнергетического спектра.

Импульсной характеристикисогласованного фильтра.

В данной курсовой работерассматривается прямоугольная когерентная пачка трапецеидальных радиоимпульсов.

Параметры сигнала:

несущая частота (частота радиозаполнения),1,11МГц

длительность импульсов, (длительностьоснования) 15 мкс

частота следования,11,2 кГц

число импульсов в пачке,9

Автокорреляционная функция (АКФ)сигнала U (t) служит для количественного определения степени отличиясигнала U (t) и его смещённой во времени копии /> (0.1) и при t = 0 АКФ становится равной энергиисигнала. АКФ обладает простейшими свойствами:

свойство чётности:

/> т.е. KU(t) =KU (-t).

при любом значении временногосдвига t модуль АКФ непревосходитэнергии сигнала: ½KU(t) ½£KU(), что вытекает из неравенства Коши — Буняковского.

Итак, АКФ представляетсясимметричной кривой с центральным максимумом, который всегда положителен, а внашем случае АКФ имеет ещё и колебательный характер. Необходимо отметить, чтоАКФ имеет связь с энергетическим спектром сигнала: />; (0.2) где ½G (w) ½/> квадрат модуляспектральной плотности. Поэтому можно оценивать корреляционные свойствасигналов, исходя из распределения их энергии по спектру. Чем шире полоса частотсигнала, тем уже основной лепесток автокорреляционной функции и тем совершеннеесигнал с точки зрения возможности точного измерения момента его начала.

Часто удобнее вначале получитьавтокорреляционую функцию, а затем, используя преобразование Фурье, найтиэнергетический спектр сигнала. Энергетический спектр — представляет собойзависимость ½G (w) ½/> от частоты.

Согласованные же с сигналомфильтры обладают следующими свойствами:

Сигнал на выходе согласованногофильтра и функция корреляции выходного шума имеют вид автокорреляционнойфункции полезного входного сигнала.

Среди всех линейных фильтровсогласованный фильтр даёт на выходе максимальное отношение пикового значениясигнала к среднеквадратичному значению шума.

/> 

/>Расчёт акф заданногосигнала

/>

Рис.1. Прямоугольная когерентная пачка трапецеидальныхрадиоимпульсов

В нашем случае сигнал представляетсобой прямоугольную пачку трапецеидальных (длительность вершины равна однойтретьей длительности основания) радиоимпульсов (см. рис 1) в которойчисло импульсов N=9, а длительность импульса Ti=15 мкс.

/>

Рис.2. Сдвиг копии огибающей сигнала

S3(t)

S2(t)

S1(t)

  Период следования импульсов в пачке Tip » 89,286 мкс., поэтому скважность q = Tip/Ti= 5,952. Для расчёта АКФ воспользуемся формулой (0.1) и графическимпредставлением смещённой по времени копии сигнала на примере одноготрапецеидального импульса (огибающей). Для этого обратимся к рисунку 2. Длярасчёта главного лепестка АКФ огибающей сигнала (трапеции) рассмотрим трипромежутка:

Для величины сдвига Tпринадлежащего промежутку от нуля до одной третьей длительности импульсанеобходимо решить интеграл:

/>

Решая этот интеграл, получаем выражение для главноголепестка АКФ данного сдвига копии огибающей сигнала:

/>

Для T принадлежащего промежуткуот одной третьей до двух третьих длительности импульса получаем следующийинтеграл:

/>

Решая его, получаем:

/>/>

Для Т, принадлежащего промежуткуот двух третьих длительности импульса до длительности импульса интеграл, имеетвид:

/>

Поэтому в результате решенияимеем:

С учётом свойства симметрии (чётности)АКФ (смотрите введение) и соотношения, связывающего АКФ радиосигнала и АКФ егокомплексной огибающей: /> имеемфункции для главного лепестка АКФ огибающей ko (T) радиоимпульса и АКФрадиоимпульса Ks (T):

/>

/>

в которых, входящие функции,имеют вид:

Таким образом, на рисунке 3 изображёнглавный лепесток АКФ радиоимпульса и его огибающей, т.е. когда в результатесдвига копии сигнала, когда участвуют все 9 импульсов пачки, т.е. N = 9.

Видно, что АКФ радиоимпульсаимеет колебательный характер, но в центре обязательно максимум. При дальнейшемсдвиге число пересекающихся импульсов сигнала и его копии будет уменьшаться наединицу, а, следовательно, и амплитуда через каждый период следования Tip= 89,286 мкс.

Поэтому, окончательно АКФ будутиметь вид как на рисунке 4 (16 лепестков, отличающихся от главноготолько амплитудами) с учётом того, что на этом рисунке Т=Tip.:

/>

Рис. 3. АКФ главного лепестка радиоимпульса и его огибающей

/>

Рис. 4. АКФ Прямоугольной когерентной пачки трапецеидальныхрадиоимпульсов

/>

Рис. 5. Огибающая пачки радиоимпульсов.

/>Расчёт спектральнойплотности и энергетического спектра

/>

Для расчёта спектральнойплотности воспользуемся, как и при расчётах АКФ, функциями огибающейрадиосигнала (смотрите рис.2), которые имеют вид:

/>

и преобразованием Фурье дляполучения спектральных функций, которые с учётом пределов интегрирования дляn-го импульса будут рассчитываться по формулам:

/>

для огибающей радиоимпульса и:

для радиоимпульса соответственно.

Далее вычисляем спектральнуюплотность огибающей радиосигнала для всех N импульсов в соответствии свыражением:

/>

/>

График этой функции представленна (рис.5).

на рисунке для наглядностирассмотрен разный частотный диапазон

/>

Рис. 6. Спектральная плотность огибающей радиосигнала.

Как и ожидалось, главныймаксимум расположен в центре, т.е. при частоте w=0.

Энергетический же спектр равенквадрату спектральной плотности />ипоэтому график спектра имеет вид как на (рис 6) т.е. очень похож награфик спектральной плотности:

/>

Рис. 7. Энергетический спектр огибающей радиосигнала.

Вид спектральной плотности длярадиосигнала будет иной, поскольку вместо одного максимума при w = 0 будет наблюдаться два максимума при w = ±wо, т.е. спектр видеоимпульса (огибающейрадиосигнала) переносится в область высоких частот с уменьшением вдвоеабсолютного значения максимумов (см. рис.7). Вид энергетического жеспектра радиосигнала будет так же очень похож на вид спектральной плотностирадиосигнала, т.е. тоже будет осуществлён перенос спектра в область высокихчастот и так же будет наблюдаться два максимума (см. рис.8).

/>

/>

Рис. 8. Спектральная плотность пачки радиоимпульсов.

/>

Рис. 9.

/>Расчёт импульснойреакции и рекомендации к построению согласованного фильтра

Как известно, наряду с полезнымсигналом, зачастую присутствуют шумы и поэтому при слабом полезном сигналеиногда трудно определить есть полезный сигнал или нет.

Для приёма сигнала сдвинутого вовремени />на фоне белого гауссовскогошума (белый гауссовский шум «БГС» имеет равномерную плотностьраспределения) n (t) т.е. y (t) = />+n (t), отношение правдоподобия при приёме сигнала известной формы имеет вид:

/>

где No — спектральная плотностьшума.

Поэтому приходим к выводу, чтооптимальная обработка принимаемых данных — суть корреляционный интеграл

/>

Полученная функция представляетсобой ту существенную операцию, которую следует выполнить над наблюдаемымсигналом с тем, чтобы оптимальным (с позиции критерия минимума среднего риска) образомпринять решение о наличии или отсутствии полезного сигнала.

Не вызывает сомнений тот факт,что данная операция может быть реализована линейным фильтром.

Действительно, сигнал на выходефильтра с импульсной характеристикой g (t) имеет вид:

/>

Как видно, при выполненииусловия g (r-x) = K×S (r-t) эти выражения эквивалентны и тогдапосле замены t = r-x получаем:

/>

где К — постоянная, а to — фиксированное время, при котором наблюдается выходной сигнал.

Фильтр с такой импульснойхарактеристикой g (t) (смотрите выше) называется согласованным.

Для того чтобы определитьимпульсную характеристику необходимо сигнал S (t) сместить наtовлево, т.е. получим функцию S (tо + t), а функцию S (tо — t) получитьпутём зеркального отображения сигнала относительно оси координат, т.е. импульснаяхарактеристика согласованного фильтра будет равна входному сигналу, и при этомполучаем на выходе согласованного фильтра максимальное отношение «сигнал-шум».

/> /> 
При нашем входном сигнале для построения такого фильтра необходимо сначаласоздать звено формирования одного трапецеидального импульса схема, которогоизображена на (рис.9).

Рис. 10. Звено формирования радиоимпульса с заданнойогибающей.

На вход звена формированиярадиоимпульса с заданной огибающей (см. рис.9), подаётся сигнал огибающейрадиосигнала (в нашем случае трапеция).

В колебательном звенеформируется гармонический сигнал с несущей частотой wо (в нашем случае 1,11МГц), поэтому на выходе этого звена имеемгармонический сигнал с частотой wо.

С выхода колебательного звенасигнал подаётся на сумматор и на звено линии задержки сигнала на Ti (в нашемслучае Ti =15 мкс), а с выхода звена задержки сигнал подаётся на фазовращатель(он нужен для того чтобы после окончания импульса отсутствовал радиосигнал навыходе сумматора).

После фазовращателя сигнал тожеподаётся на сумматор. На выходе сумматора, наконец, имеем трапецеидальныерадиоимпульсы с частотой радиозаполнения wот.е. сигнал g (t).

/> /> 
Поскольку нам необходимо получить когерентную пачку из 9 трапецеидальныхвидеоимпульсов то необходимо сигнал g (t) подать на звено формирования такойпачки схема, которой имеет вид как на (рис 10):

Рис. 11. Звено формирования когерентной пачки.

На вход звена формированиякогерентной пачки подаётся сигнал g (t), который представляет собойтрапецеидальный радиоимпульс (или последовательность трапецеидальныхрадиоимпульсов).

Далее сигнал идёт на сумматор ина блок задержки, в котором реализуется задержка входного сигнала на периодследования импульсов в пачке Tip умноженный на номер импульса минусединица, т.е. (N-1), а с выходабока задержки снова на сумматор.

Таким образом, на выходе звенаформирования когерентной пачки (т.е. на выходе сумматора) имеем прямоугольнуюкогерентную пачку трапецеидальных радиоимпульсов, что и требовалось реализовать.

/>Заключение

В ходе работы были проведенысоответствующие расчеты и построены графики по ним можно судить о сложностиобработки сигналов. Для упрощения математический расчет проводился пакетах MathCAD 7.0 и MathCAD 8.0. Даннаяработа является необходимой частью учебного курса, чтобы студенты имелипредставления об особенностях применении различных импульсных радиосигналов врадиолокации, радионавигации и радио телеметрии, а также могли спроектироватьоптимальный фильтр тем самым, внеся свой скромный вклад в “борьбе" заинформацию.

/>Перечень условныхобозначений

wо— частота радиозаполнения;

w — частота

Т, (t) — временной сдвиг;

Тi— длительностьрадиоимпульса;

Tip— периодследования радиоимпульсов в пачке;

N— числорадиоимпульсов в пачке;

t— время;

/>Библиографический список

1.  Баскаков С.И. «Радиотехническиецепи и сигналы: Учебник для вузов по спец. „Радиотехника“».- 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1988 — 448 с.: ил.

2.  «АНАЛИЗ РАДИОСИГНАЛОВ И РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИМАЛЬНЫХСОГЛАСОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ: Методические указания к курсовой работе по курсу „Теориярадиотехнических сигналов и цепей“»/ Киберниченко В.Г., Дороинский Л.Г.,Свердловск: УПИ 1992.40 с.

3.  «Усилительные устройства»: Учеб: пособие для вузов. — М.: Радиои связь, 1989. — 400 с.: ил.

4.  Букингем М. «Шумы в электронных приборах и системах»/ Пер. сангл. — М.: Мир, 1986

Проектно-конструкторские организации по РКТ (ракетно-космической технике) в России.

Ракетно-космическая промышленность (РКП) России – наиболее высокотехнологичная и наукоемкая отрасль, одна из передовых, стабильно и динамично развивающихся. Предприятия РКП выпускают всю номенклатуру космической техники – от тяжелых ракет-носителей (РН) до малых космических аппаратов (КА). Накоплен опыт реализации крупных проектов, отработаны механизмы финансирования, разработки, производства и эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ). РКП России должна стать экономически устойчивой, развивающейся по инновационному пути, конкурентоспособной, диверсифицированной отраслью промышленности, способной решать стратегические задачи совершенствования и развития ракетно-космических средств в интересах национальной безопасности, социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества, обеспечения гарантированного доступа и необходимого присутствия России в космическом пространстве, сохранения и укрепления ее позиций на мировом космическом рынке. Для этого предусматривается приведение отрасли в соответствие с современными требованиями путем технического перевооружения и создания условий для внедрения современных технологий; оптимизации состава производственных мощностей с последующей реализацией избыточных активов; усиления интеграционных процессов в РКП при создании и производстве изделий РКТ, развития смежных отраслей промышленности; обеспечения концентрации имеющихся материально-технических, финансовых и интеллектуальных ресурсов в секторах, сохранивших конкурентоспособность на мировом космическом рынке; перехода к конкуренции на других рыночных сегментах.

Рис. 1 Состав ракетно-космической промышленности и основные виды производства продукции.

Состав РКП и основные виды производимой продукции приведены на рисунке 1. Развитие отрасли на первоначальном этапе будет поддерживаться комплексом структурных, финансовых и внешнеполитических усилий государства при привлечении частных инвесторов и партнеров. Это позволит сохранить позиции России как государства, самостоятельно обеспечивающего свои потребности в результатах космической деятельности (КД) по всем направлениям. Ожидаемые результаты модернизации РКП представлены на рисунке 2. Эффект от использования указанных результатов является многоуровневым и обеспечивает: на макроуровне: – повышение обороноспособности страны, способность более эффективно реагировать на современные угрозы ее безопасности; – увеличение вклада РКП в ВВП России за счет опережающего роста производства наукоемкой высокотехнологичной продукции по сравнению с другими составляющими промышленности страны;

Рис.2 Ожидаемые результаты модернизации.

– расширение участия предприятий РКП на мировом рынке и взаимовыгодного сотрудничества с другими странами; – обеспечение дополнительных налоговых поступлений;

– увеличение экспортной выручки (доходов от продаж); на отраслевом уровне:

– формирование в отрасли эффективных институтов, свойственных современной инновационной экономике;

– сокращение сроков обновляемости фондов предприятий РКП;

– облегчение предприятиям отрасли доступа на финансовые рынки, расширение использования рынка ценных бумаг для привлечения финансовых ресурсов в РКП при сохранении доминирующих позиций государства; на уровне предприятий и организаций РКП:

– создание новых рабочих мест, предотвращение оттока высококвалифицированных научно-технических кадров;

– повышение спроса на квалифицированные научно-технические кадры, улучшение их возрастной структуры;

– повышение производительности труда.

В целях модернизации РКП потребуется решение следующих основных задач:

1. Совершенствование стратегии конечного конкурентного продукта Активизация участия на мировом рынке продукции отечественной РКП позволит России сохранить статус одного из лидеров в области производства изделий РКТ для реализации всего спектра космических услуг и увеличения доли участия на внутреннем рынке, который постепенно становится частью мирового. Изменить ситуацию позволят только качественно новый продукт и радикальная перестройка системы организации производства и продаж. Реализуя стратегию, целью которой является конечный конкурентный продукт, Россия не должна потерять накопленный потенциал и компетенции, стремясь их сохранять и развивать путем продвижения на рынок готовых к серийному производству РН типа «Ангара», «Союз-2, 1-А, 1-Б, 1-В», КА типа «Глонасс», «Ресурс-П», «Экспресс-ПМ» и др., обеспечивая при этом их высокое качество и надежность, технически простое обслуживание, формирование регламентов создания РКТ, отвечающей перспективным требованиям организации ее разработки и производства, позиционирования на внутреннем, мировом рынках и требованиям международной кооперации. Участие российских предприятий в международных проектах будет способствовать усилению интеграции отечественной РКП в современную международную технологическую кооперацию, обеспечит доступ отечественным разработчикам и производителям изделий РКТ к передовым технологиям и разработкам мирового уровня. К мерам ликвидации отставания в обеспечении работ (проектов) можно отнести: – разработку и утверждение общеотраслевого плана действий по формированию спектра конечных конкурентоспособных продуктов как составной части государственной промышленной политики в области космоса;

– кардинальное улучшение культуры производства, планирования и управления жизненным циклом изделий, в том числе при совместной реализации международных проектов;

– разработку концепции и запуск пилотных проектов в области инфокоммуникационных и навигационных технологий, в которых предприятия отрасли играют роль системного интегратора и головного подрядчика;

– участие в проектах в рамках международного разделения труда и совместного с зарубежными партнерами освоения новых сегментов рынка при обязательном условии обеспечения трансфера и последующей имплантации современных производственных и функциональных космических технологий.

2. Формирование новой организационной системы отрасли и управление созданием конкурентоспособной продукции Система управления РКП включает в себя корпоративное звено, а также звено государственного управления, реализующее функции государственного заказчика и собственника государственных активов. Оба элемента системы управления отраслью требуют радикальных изменений. Государственное звено управления Важнейшие задачи развития государственной системы управления: расширение практики программно-целевого планирования, совершенствование методической базы формирования государственного заказа, технико-экономическое обоснование проектов и программ, улучшение системы подготовки кадров и организации работы представителей государства в советах директоров акционерных обществ отрасли. Государство в лице федеральных органов исполнительной власти (Роскосмос, Министерство обороны РФ и др.) сохраняет за собой функции поддержания и развития неконкурентной инфраструктурной составляющей РКП, включая научно-исследовательские организации, общеотраслевую испытательную базу, информационную среду, систему подготовки кадров и повышения квалификации, системы лицензирования и сертификации качества и ряд других. Корпоративное звено управления Необходимость изменений в корпоративном звене обусловлена тем, что глобальная конкуренция в мире, где в настоящий момент сложилась олигополия крайне ограниченного числа производителей, настоятельно требует реализации четкой государственной промышленной политики в области космоса. Такая политика должна обеспечивать развитие и конкурентоспособность российских интегрированных структур (ИС), действующих в области создания и эксплуатации космических средств на соответствующих сегментах мирового космического рынка, развитие наземной космической инфраструктуры, отнесенной к неконкурентному сегменту, а также сбалансированную поддержку технического перевооружения предприятий РКП. Преобразования в РКП должны трансформировать структуру отрасли и привести ее к следующему виду:

1. В научно-технической сфере: Для обеспечения эффективной реализации функций государственного заказчика в интересах создания космических средств мирового уровня, конкурентоспособной научно- технической базы РКП в целом, проведения поисковых и научно-прикладных исследований необходимо сохранить и развивать научные школы в сфере космической науки и техники. В составе интегрированных корпоративных структур отрасли сохранятся и будут развиваться научно-исследовательские и опытно-конструкторские подразделения, ведущие исследования и разработки в интересах создания перспективных продуктов, повышения конкурентоспособности предприятий. Основными научными школами общегосударственного уровня в отрасли должны стать ФГУП ЦНИИмаш, ФГУП «Организация «Агат», НПО «Техномаш», ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», а также ОАО «Ипромашпром», ОАО «Композит» и др.

2. В области производства продукции РКП: Новый облик РКП к 2015 году – это три-четыре крупные интегрированные структуры, которые будут:

– сопоставимы с мировыми авиакосмическими корпорациями типа Boеing, Locheed Martin и др. как по величине, так и по характеру деятельности на мировом космическом рынке;

– конкурировать между собой на российском рынке и скоординированно действовать на внешнем рынке РКТ и услуг;

– диверсифицированы (устойчивы к колебаниям конъюнктуры рынка РКТ и госзаказа) в направлениях, позволяющих эффективно пользоваться их научными, технологическими и организационными компетенциями;

– самостоятельны за счет диверсификации бизнеса, несмотря на большой процент госзаказа по РКТ.

При этом решаются задачи самостоятельного технического развития и промышленной политики корпораций, освобождения органов государственного управления от излишних функций. Целевое и программное развитие корпораций в совокупности должно полностью реализовывать поставленные задачи в развитии КД России.

3. Модернизация производственного потенциала отрасли.

 Требуется модернизация основных фондов предприятий РКП. В этой связи в производственном секторе предстоит ликвидировать ряд диспропорций. Поскольку структура производственных фондов ряда предприятий отрасли неадекватна структуре существующих и тем более перспективных производственных программ, то некоторые виды избыточных фондов (здания и сооружения, земельные участки, энергетические узлы, транспортная инфра- структура и т.п.) должны быть ликвидированы или переориентированы на другую продукцию. Предстоит провести на значительной части заводов замену устаревшей производственно-технологической базы, не соответствующей современным требованиям по производительности, надежности, способности функционировать в информационной среде на отраслевом уровне и не обеспечивающей эффективный контроль качества производимой продукции. В этой ситуации целесообразно сохранить уже развернутое или находящееся в высокой степени готовности на предприятиях-лидерах сборочное производство новых типов техники по проектам, имеющим экономически обоснованные программы выпуска, по крайней мере в среднесрочной перспективе. На заводах, не вошедших в ядро эффективных предприятий РКП, целесообразно создавать центры компетенции по отдельным технологическим направлениям, работающим в кооперации с отечественными и зарубежными предприятиями. На корпоративной основе необходимо создать отраслевую автоматизированную информационно-аналитическую систему мониторинга качества изделий РКТ, производимых в рамках Федеральной космической программы (ФКП-2015), других федеральных целевых программ по космической тематике и по заказам (контрактам) на экспорт

Требуется сформировать базу данных перспективных отечественных и зарубежных технологий, станков и оборудования и на этой основе на предприятиях повсеместно внедрять или рекомендовать к внедрению новые производственные технологии и специализированное технологическое оборудование для производства необходимых изделий, маркировки, учета и независимой технической приемки материалов и комплектующих. Созданная отраслевая система менеджмента качества обеспечит ведение электронных каталогов на изделия РКП, а также электронной технологической документации на всех этапах жизненного цикла изделий РКТ – от разработки до ввода в эксплуатацию. С учетом этого на первом этапе (до 2015 года) должно быть запланировано создание и введение в действие центров по следующим основным направлениям производства финальной продукции РКП:

– РН, РБ и межорбитальные буксиры, отличающиеся новизной используемых производственных технологий и специального оборудования;

– пилотируемые КА различного назначения, совмещающие относительную консервативность используемых конструктивно-технологических решений и новизну в построении приборного комплекса (в том числе управляющих БЦВМ, телеметрических комплексов, средств космической связи, телекоммуникации и радионавигации);

– автоматические КА, космические платформы и орбитальные космические станции, использующие в целевой и служебной аппаратуре современные достижения в области радиоэлектроники, новые материалы и конструктивно-технологические решения;

– технологические КА-демонстраторы для многофункциональных технологических космических систем, предназначенных для летной экспериментальной отработки и аттестации новейших образцов изделий РКТ, перспективных космических комплексов нового поколения.

4. Использование новых технологий на основе унифицированных конструктивно-функциональных модулей

В производстве РН, РБ и КА модульная технология проектирования и сборки конечной продукции должна стать базовой. Переход к созданию и использованию функционально сложного модульного базиса позволит существенно сократить номенклатуру комплектующих при производстве новых изделий РКТ, что создаст условия для концентрации финансовых, научных, производственных и других ресурсов РКП на разработке, подготовке высокоэффективного автоматизированного производства. Производительность труда по всей технологической цепочке (от идеи до выпуска готовой продукции) при создании модульной РКТ в среднем может увеличиться в этом случае в два-три раза по сравнению с существующей в отрасли.

5. Создание и освоение новых технологий и систем для организации высокоэффективного управления отечественной РКП

Организация управления отечественной РКП должна основываться на использовании современных информационных технологий в сетевых структурах автоматизированной системы управления (АСУ) РКП, что обеспечит существенное сокращение финансовых, временных и других ресурсных затрат. АСУ РКП к 2015 году должна быть сформирована и адаптирована под решение задач координации крупных космических проектов, предусматривающих использование многофункциональных технологических космических систем с производственными робототехническими комплексами на борту КА.

6. Создание заводов-автоматов по производству микроминиатюрных КА, предназначенных для распределенных космических систем связи и наблюдения

Освоение серийного производства микроминиатюрных КА в контейнерном конструктивном исполнении с разворачиваемыми пленочными солнечными батареями большой площади позволит России стать лидером на международном рынке распределенных космических систем связи, наблюдения и быстрого реагирования.

7. Совершенствование правовой базы

Необходимы соответствующие изменения в законодательстве по расширению возможностей участия в акционерном капитале РКП иностранных партнеров, осуществляющих деятельность по разработке, производству, испытаниям, ремонту и (или) утилизации РКТ, в том числе за счет частно-государственного партнерства, современных механизмов корпоративного управления, совершенствования правовой базы и государственной поддержки в интересах развития интегрированных структур, научных школ и др [1].

8. Укрепление кадрового потенциала

Укрепление кадрового потенциала – необходимое условие разработки и успешной реализации амбициозных проектов в космонавтике. Для этого предполагается:

1. Провести прогнозирование и определить перспективные проекты и работы отрасли, в соответствии с которыми разработать перечень необходимых специальностей и потребное по ним количество специалистов (научных, инженерно-технических, рабочих высокой квалификации).

2. Создать региональные учебные научно-производственные центры, включающие в свой состав средние и высшие профессиональные учебные заведения, и отработать новые образовательные технологии с уточнением нормативно-правовых документов, определяющих взаимодействие и правовые отношения вузов с предприятиями в вопросах совместной целевой подготовки специалистов.

3. Обеспечить должное взаимодействие вузов и предприятий, осуществляющих целевую подготовку кадров, создав филиалы кафедр на предприятиях, где преподаватели будут проводить разработку учебных планов, программ и методик выполнения лабораторных работ совместно с ведущими специалистами предприятий.

4. Привлекать высококвалифицированных специалистов к проведению занятий и лабораторных работ непосредственно на производственной и научной базе РКП, что позволит реально изучить проблемы производства и исследований, улучшить адаптацию будущих специалистов к условиям предстоящей работы; закрепить за студентами в качестве руководителей (кураторов) работников подразделений организаций и предприятий для непосредственной передачи опыта.

5. Выделять финансирование из собственных средств организаций, в том числе льготные кредиты из средств федеральных целевых программ на повышение квалификации, а также для получения (при необходимости) второго высшего профессионального образования специалистами, социальную адаптацию и обеспечение кадров жильем.

6. Организовывать командировки руководящего состава организаций и ведущих специалистов на передовые предприятия и организации Роскосмоса для изучения, обобщения и внедрения опыта работы.

7. Привлекать к проведению научно-исследовательских работ студентов старших курсов вузов, а также на период обучения предоставлять им право трудоустройства на предприятиях с графиком неполного рабочего дня (неполной рабочей недели).

Таким образом, в результате решения рассмотренных широкомасштабных задач в интересах модернизации отечественной ракетно-космической промышленности будет обеспечена технологическая, производственная и институциональная готовность к реализации амбициозных космических проектов, планируемых на ближайшую и долго- срочную перспективы.

Конкуренция в ракетно-космической промышленности: время стратегических решений

Ракетно-космическая отрасль России переживает «промежуточный» момент своей реструктуризации. Приняты ключевые решения на уровне президента и правительства. Произошла смена руководства в Федеральном космическом агентстве. На очереди – создание открытого акционерного общества «Объединённая ракетно-космическая корпорация» (ОРКК). Автор публикуемой статьи предлагает читателю свой взгляд на один из ключевых вопросов реформирования ракетно-космической отрасли – о целесообразности и форме практической реализации конкуренции отечественных производителей продуктов и услуг в сфере космической деятельности.

Проблема конкуренции отечественных производителей продуктов и услуг в сфере космической деятельности может показаться не самой актуальной в краткосрочной перспективе. Особенно в контексте явственно различимой системной деградации ракетно-космической промышленности и необходимости принятия неотложных мер по повышению качества и надёжности, которые с конкуренцией напрямую не очень связаны. Однако такие меры требуют скорее технико-экономического, чем мезоэкономического или институционального обоснования. Причём по составу таких мер наблюдается нечто, близкое к консенсусу – особенно и обсуждать нечего.

Напротив, проблему конкуренции внутри страны необходимо обсуждать именно в силу её неоднозначности, наличия у стейкхолдеров едва ли не радикально противоположных точек зрения и – на практике – ключевого значения с точки зрения системы ценностей, обуславливающей все дальнейшие институциональные и структурные построения при реструктуризации ракетно-космической промышленности. 

Таким образом, проблему конкуренции в ракетно-космической промышленности можно считать краеугольным камнем отраслевого реформирования – она не самая важная в краткосрочной перспективе, но подходы к её решению определят ответы на неоднозначные вопросы отраслевой реформы.

РОЛЬ И МЕСТО КОНКУРЕНЦИИ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ 

Современный рынок ракетно-космической техники представляет собой редкий случай сочетания олигополии и олигопсонии. При этом его монопсоническая составляющая, до сих пор связывавшаяся с пилотируемыми космическими средствами, также приобретает олигопсонический статус с появлением частных компаний, работающих в области космического туризма.

За недостатком места не буду останавливаться на вопросах формального определения конкуренции и её роли в развитии высокотехнологических отраслей промышленности. Заинтересованных в глубоком академическом освещении соответствующих аспектов отраслевого развития отсылаю, например, к монографии [8] и к работе [12]. Для целей нашего анализа примем за аксиому, что конкуренция, то есть наличие на рынке нескольких предложений по товарам и услугам, сходным образом удовлетворяющих сходные потребности (с точностью до определения сходства), является основным стимулом совершенствования технико-экономических показателей изделий, в особенности в далёкой от условий идеальной конкуренции ситуации отраслевой олигополии и олигопсонии. 

Основная ценность конкуренции на современном этапе развития отечественной ракетно-космической промышленности диктуется следующим: ключевой задачей, определяющей выбор оптимальных решений, является поиск компромиссов между субъектами экономической деятельности, имеющими несовпадающие интересы. При этом можно выделить два основных движущих фактора, определяющих возможность компромисса. 

Первый фактор – наличие институционально независимых друг от друга заказчиков и подрядчиков (поставщиков продукции) на разных уровнях отраслевой цепочки переделов (включая её конечный уровень, определяющий поставку финишной продукции государственному или коммерческому заказчику). 

Второй фактор – наличие конкуренции поставщиков, во всяком случае, финишной продукции. Причём конкуренции, реализуемой на всех целевых рыночных сегментах. Выход российских предприятий высокотехнологичного комплекса в целом и ракетно-космической промышленности в частности на международные рынки возможен, в том числе, и путем консолидации и координации усилий, без «междоусобной» конкуренции между собой (поскольку международные рынки характеризуются наличием конкуренции поставщиков и без специальных институциональных усилий с российской стороны). Для внутреннего же рынка в его защищённых сегментах (к каковым до последнего времени относился и рынок поставки продукции и услуг ракетно-космической промышленности) возможна лишь конкуренция национальных предприятий. Она, соответственно, и должна институционально поддерживаться, каким бы олигополическим, олигопсоническим и защищённым ни был к настоящему моменту и в обозримом будущем отечественный рынок основной продукции ракетно-космической промышленности. Альтернативой в данном случае является лишь потеря конкурентоспособности национальных предприятий, искусственно позиционируемых в качестве монополистов, и приход и в эти защищённые сегменты зарубежных игроков. 

Указанные факторы не являются, строго говоря, равноправными. Какая-то специфическая форма конкуренции производителей возможна и при отсутствии разделения заказчика и подрядчика (например, конкуренция независимых проектных бюро внутри государственной корпорации на предпроектной стадии с последующим выбором реализуемого решения на внутрикорпоративном конкурсе). Но разделение заказчика и подрядчика при подрядчике-монополисте (более точно – при монополии внутри страны в сочетании с закрытием рынка от зарубежных поставщиков) во многом лишается смысла. Поскольку «переговорная сила» заказчика радикально ограничивается в этом случае отсутствием альтернативы.

Таким образом, первый фактор в условиях современной экономики более очевиден, а второй в реальности носит более универсальный характер. Хотя необходимость практической реализации соответствующих мер далеко не всегда выглядит очевидной. Пример тому – и решение о создании ОРКК, и, в особенности, – идея реализации уже внутри ОРКК горизонтальных тематических холдингов [2].

То есть главными позитивными факторами, определяющими необходимость конкуренции, будем считать, во-первых, наличие выбора у (государственного) заказчика соответствующих продуктов и услуг, а во-вторых, уже опосредованно, через такую возможность выбора – наличие постоянно действующего в условиях рыночной экономики «принуждения к инновациям». То, что побуждает конкурирующие научно-производственные организации выводить на рынок решения, более эффективные по технико-экономическим показателям.

Дополнительно к двум общеэкономическим факторам, для отраслей оборонно-промышленного комплекса, к которым традиционно в нашей стране относится ракетно-космическая промышленность, следует иметь в виду проблематику дублирования (резервирования) критически важных производств и компетенций. Часто сам термин «дублирование» употребляется с обязательной приставкой «излишнее дублирование». На самом же деле, рассредоточение научно-производственной базы и исключение ситуации единственного поставщика критически необходимых систем, оборудования и услуг представляет собой фактор положительный. Он может сработать при тех или иных катастрофических исходах, при реализации геополитических угроз, по другим причинам, обуславливающим невозможность далее пользоваться продуктами и услугами одного из поставщиков при сохраняющейся острой в них необходимости. В этом смысле наличие предприятия-конкурента представляет собой безусловное благо. 

Особенности ракетно-космической отрасли, главными из которых являются дорогостоящие продуктовые НИОКР и олигопсоничность рынка, в ряде случаев ограничивают целесообразность продуктовой конкуренции по финальным продуктам. Это, прежде всего, касается технических средств обеспечения пилотируемой космической программы. Необходимость иметь на рынке, например, две конкурирующие разновидности пилотируемых или беспилотных транспортных космических аппаратов для снабжения орбитальных комплексов вряд ли может быть обоснована. Но это совершенно не отменяет необходимость наличия, по меньшей мере, двух конструкторских бюро или иных проектных коллективов, максимально независимых друг от друга и готовых выдвинуть реально альтернативные проекты на стадии определения облика орбитальной инфраструктуры будущего. 

С другой стороны, сравнительно легко заменяемые бортовые системы и комплектующие изделия должны быть представлены на рынке в количестве, достаточном для выбора или оперативной смены поставщика в ближне- или среднесрочной перспективе. Формы реализации конкуренции в ракетно-космической промышленности обсудим более подробно позже, оговорив здесь следующий основной тезис. Наша принципиальная позиция заключается в том, что, констатируя необходимость конкуренции в современной российской ракетно-космической промышленности, мы в то же время подчёркиваем, что проявления этого феномена могут быть различными и прежде всего – иметь место на различных этапах жизненного цикла сложных системных продуктов – космических средств. 

Современная ситуация с конкуренцией в отечественной ракетно-космической промышленности является уникальной по ряду параметров.

Первый из них – конструктивный, синтетический (а не чисто аналитический) характер дискуссии. Доминирующая роль государства и «врождённая рыночная недостаточность» отрасли обуславливают необходимость и возможность целенаправленного воздействия государства как организатора структурных реформ и отраслевого регулятора, как сейчас принято говорить, «в ручном режиме». С тем, чтобы, воспользовавшись этой ролью, попытаться сформировать рациональную институциональную структуру сферы деятельности и затем предоставить событиям развиваться по общеэкономическим законам. В представленной в списке использованной литературы работе [4] убеждённость в возможности и целесообразности такого подхода к преобразованиям обозначена нами как «институциональный креационизм». 

Второй аспект тоже связан с ролью государства на рассматриваемом рынке. Сегодня и в прогнозируемой перспективе российское государство, как, собственно, и государственные органы других стран мира, является основным заказчиком продуктов и услуг по целому ряду направлений космической деятельности. Государство практически единолично определяет «продуктовую стратегию» в областях, связанных с созданием системы средств выведения, пилотируемой космонавтикой и, естественно, – в сфере военно-космической деятельности. Применительно к задаче анализа и синтеза института конкуренции это означает, что институциональный проектант-государство не ограничен ролью регулятора и гаранта качества рынков, как в подавляющем большинстве случаев иных отраслей, но параллельно – а возможно, и в первую очередь – заинтересован в наилучших возможных параметрах предложения на рынке напрямую, а не выступая представителем обезличенного, обобщённого сообщества заказчиков-потребителей. 

Третий аспект, в определённом смысле зеркальный второму, актуален для современной России и ряда других стран со значимой ролью государства в управлении деятельностью промышленности. Пока сохраняется роль государства как собственника промышленных активов в ракетно-космической промышленности, такое государство, реализуя роль институционального проектанта, балансирует при этом свои интересы заказчика/потребителя и подрядчика/производителя. Такой баланс должен поддерживаться проектантом и в общем случае, как неотъемлемая составляющая качества рынка, но в случае госсобственности в промышленности, как и применительно к функции заказчика во втором аспекте, фигурирует при принятии структурных решений более прямо. Говоря метафорически, интересы производителя – в случае значимого отраслевого госсектора – и интересы потребителя – в случае доминирования на конкретном рынке госзаказа – «более равны» для институционального проектанта, чем соответствующие интересы негосударственных участников рынка в более общем случае государства – «чистого» регулятора. Помимо специфики решения задачи проектирования конкуренции, это обуславливает постоянное возникновение (феномена) кроссекторной конкуренции – явления преимущественно отрицательного. 

В контексте продолжающейся реформы космической отрасли и ракетно-космической промышленности, особый интерес представляют сегодня компромиссные формы поддержки конкуренции в ракетно-космической промышленности. Поскольку, формально говоря, с созданием ОРКК «пространство для маневра» у госзаказчика существенно сократится. На наш взгляд, для защиты внутреннего рынка от «произвола исполнителя» и сохранения предпосылок для формирования нормальной системы взаимоотношений при создании организационной структуры ОРКК и системы отношений в сфере космической деятельности в целом целесообразно рассмотреть, в частности, следующие меры и шаги: 
•    сохранение отдельных ракетно-космических производств и компетенций за пределами контура ОРКК (наиболее очевидная в этом смысле возможность – развитие «космического» дивизиона ОАО «ВПК «НПО Машиностроения», являющегося во многом наследником системного и научно-технического задела «фирмы Челомея»; 

•    нормативная организация защиты проектно-конструкторских школ и формирование системы разработки проектных альтернатив внутри создаваемой объединённой корпорации; 

•    формирование матричной структуры внутри ОРКК, основанной, в частности, на разнесении управления тематикой и управления производственными мощностями, сохранения сложившихся территориально-производственных комплексов как частично вертикально интегрированных дивизионов корпорации; 

•    формирование общенациональной системы оценки альтернатив и целеполагания в сфере космической деятельности, с привлечением максимально широкого круга экспертов и механизмов экспертизы, обеспечивающей выдачу государственного заказа на основании глубокой научной проработки средне- и долгосрочной перспективы развития космической деятельности. То есть, по сути, перенесение системного проектирования в сфере космической деятельности на сторону государственного заказчика, что характерно сегодня для организации космической деятельности в США и в странах-членах Европейского космического агентства. 

В дискуссии о конкуренции также важное значение имеют вопросы организации управления космической деятельностью со стороны государства, практического решения задач политического целеполагания и управления космическими программами. Эта тематика должна ещё получить своё освещение.

ЛИТЕРАТУРА: 

1. Меморандум о космической деятельности / С. Жуков, А. Ионин, И. Моисеев, Д. Пайсон [Электронный ресурс] // Блог Сергея Жукова на официальном сайте Фонда Сколково. URL: http://community.sk.ru/foundation/space/b/zhukov/archive/2013/06/04/memorandum-o-kosmicheskoy-deyatelnosti-rossii.aspx (дата обращения 30.09.2013 г.).

2. Обсуждение проекта Основ государственной политики в области использования РКД на конференции «Космос – для жизни, для людей!» [Электронный ресурс] // ГИС-Ассоциация: официальный сайт. URL: http://gisa.ru/94292.html (дата обращения 30.09.2013 г.).

3. Пайсон Д.Б. Космическая деятельность: Эволюция, организация, институты. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. – 312 с.

4. Пайсон Д.Б. Некоторые методологические аспекты реструктуризации высокотехнологического комплекса России (на примере ракетно-космической промышленности) // Аудит и финансовый анализ, 2011. – № 3. – С. 365–374.

Технологический комплекс с использованием шнекового питателя

ВВЕДЕНИЕ

Основное назначение дозирующего устройства — обеспечить заданное количество материала по массе (или поддержание заданного расхода компонента) с определенной точностью. Питание компонентов является одной из важнейших операций технологического процесса приготовления теста.

К питателям предъявляются следующие основные требования:

определенная точность питания компонентов;

высокая производительность;

простота конструкции и высокая надежность работы узлов питателя и его системы управления. 

По структуре рабочего цикла дозирование бывает непрерывным или порционным, а по принципу действия — объемным или весовым.

Для порционного дозирования характерно периодическое повторение циклов выпуска дозы (порции) компонента. При порционном объемном способе дозирующее оборудование обычно отмеривает порцию при помощи мерной камеры заданного объема. Порционное весовое дозирование основано на отмеривании дозы определенной массы. При непрерывном объемном дозировании дозатор подает поток материала с заданным объемным расходом. Объемный способ дозирования конструктивно более прост, поэтому дозаторы, основанные на этом принципе работы, более надежны. Применение объемного метода существенно упрощает процесс дозирования жидких компонентов. Вместе с этим, объемное дозирование нередко характеризуется более значительной погрешностью в величине выдаваемых доз, что в отдельных случаях может ограничить его применение.

Многокомпонентное дозирование может осуществляться по следующим схемам.

Преимущества оборудования

1 Удобное регулирование

2 Непрерывная равномерная подача

3 Обнаруженная поверхность цинкового порошка маленькая, снижение возможности оксидации

Особенности оборудования

Питатель шнековый с ворошителем применяется для непрерывного и равномерного транспортирования и дозирования сыпучего сырья в различных технологических процессах, а также возможно применение в процессах перемешивания материалов.

Питатель шнековый используется в комплексе с промышленными установками и в технологических линиях с установленной дозировкой материала.

Достоинством питателя является отсутствие наружных вращающихся или подвижных узлов (за исключением привода) что приводит к минимальным затратам при техническом обслуживании.

Применение оборудования

Имеют простую конструкцию и надежны в работе.

Питатели могут применяться в горной, металлургической, строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Принцип работы

При регулировании частоты вращения вала двигателя частотным преобразователем, достигается необходимая объемная дозировка по установленной технологии.

Бункер шнекового питателя оснащен ворошителем материала, основной задачей которого является исключение сводообразование и залегание продукта.

1. Последовательное дозирование компонентов в одном общем питателе.
2. Параллельное дозирование каждого компонента в отдельном специальном питателе (так называемые, дозировочные станции).

Первая схема используется, как правило, при порционном тестоприготовлении и является весьма простой и экономичной. Она обеспечивает меньшую металлоемкость и компактность установки. Однако длительность общего цикла дозирования из-за последовательного отмеривания компонентов велика. Это может снижать производительность тестоприготовительного оборудования.

Вторая схема применяется при непрерывном и порционном замесе тестовых полуфабрикатов. Она позволяет наиболее полно приспособить каждый дозатор к особенностям дозируемого компонента и, тем самым, повысить точность дозирования. Вместе с этим, нужно учитывать, что дозировочные станции такого типа более громоздки и имеют большую стоимость.

Упрощенная классификация дозаторов по структуре рабочего цикла и конструктивным признакам выглядит так:

1. 1 ШНЕКОВЫЙ ПИТАТЕЛЬ

1.1 Общий вид шнекового питателя.

Рис.1. Шнековый дозатор

1 - приемное устройство;

2 - корпус шнека;

З - винт;

4 - вал.

Шнековые дозирующие машины (рис.1) применяют для подачи зернистых , мелкокусковых и порошкообразных продуктов в тех случаях , когда дополнительное измельчение шнеком отдельных частиц подаваемого продукта не имеет значения. Производительность регулируют, изменяя скорость вращения винта шнека для этого в приводном устройстве предусмотрен вариатор. Шнековые дозирующие машины можно устанавливать горизонтально и наклонно.

2. Применение шнеков в автоматических дозаторах трудносыпучих материалов.

Автоматизация производственных процессов производств ядерного топливного цикла нередко зависит от решения автоматизации процесса дозиро вания сыпучих компонентов. Решение этой проблемы имеет большое значение с точки зрения повышения производительности производства, улучше ния качества готовой продукции, а также освобождает ряд профессий от опасного для здоровья труда.

Оценку равномерности подачи ЗОУ шнеком, работающем на УП ВОУ, можно провести по изменению градуировочного коэффициента шнека, т. е. массы ЗОУ, перемещаемого за один оборот. Исследования показывают, что отклонение значений этого коэффициента от среднего достигает 77 %. Эта неравномерность может быть обусловлена зависанием порошка в бункере и неоднозначностью градуировочной характеристики шнека. Зависание порошка в бункере может происходить изза наличия больших углов откоса в бункере и механических препятствий для истечения порошка. Для устранения сводообразований промышленные шнековые дозаторы снабжаются отсутствующими в УЗ УП ВОУ ворошителями различной конструкции. Неоднозначность градуировочной характеристики шнека может быть связана с малой частотой вращения и с импульсным режимом его работы. Производительность шнека в непрерывном режиме работы выше необходимой, что и приводит к необходимости работы в импульсном режиме с малой частотой вращения. Указанные проблемы характерны для процесса дозирования ТСМ в целом, что затрудняет и ухудшает работу систем автоматизированного управления дозированием. Под дозированием понимается отмеривание и перемещение определенного количества материала. Величиной, характеризующей процесс дозирования, является расход. При работе дозатора в качестве устройства для равномерной подачи материала к аппаратам его называют питателем. Одна из важных характеристик дозирующих устройств – точность дозирования.

На точность дозирования влияет большое число факторов. К ним относятся погрешности, обусловленные изменением свойств материала под воздействием внешних факторов. Поэтому вы бор дозировочного оборудования определяется этими свойствами, требованиями к процессу и условиями эксплуатации.

Выбор конструкций отдельных элементов дозирующих установок и определение их параметров зависят от свойств тех насыпных грузов (НГ), для которых предназначена проектируемая установка. Ниже представлены требования, которым должны удовлетворять конструкции дозаторов ТСМ: а) возможность включения питателя под нагрузкой; б) быстрая блокировка в аварийных ситуациях; в) обеспечение требуемой производительности в широком диапазоне изменения свойств материала; г) надежность работы; д) минимальное число движущихся деталей; е) побудитель не должен препятствовать гравитационному выпуску; ж) незначительный из нос рабочего органа; и) низкая стоимость, простота обслуживания и низкая потребляемая мощность; к) устойчивость дозирования при постоянном расходе; л) малая инерционность; м) плавность регулирования производительности. Учитывая эти требования, а также требования, характерные для процесса фторирования ЗОУ, можно придти к выводу о наибольшей пригодности к указанному процессу питателей с вращательным движением рабочего органа. Действительно, гравитационные питатели просты и надежны, но из всех питателей дают наименьшую равномерность потока. Пневмотранспорт непригоден для указанного производства, так как аэрирующий агент нарушит нормальное течение процесса. Питатели с возвратно-поступательным движением рабочего органа не могут быть использованы в производстве гексафторида урана вследствие дискретности своей работы. Вибрационные питатели обладают тем недостатком, что реакция фторирования будет происходить в питателе, а не в реакторе, вызывая спекание частиц сырья. Ленточные и пластинчатые питатели имеют открытый транспортный тракт, что недопустимо при дозировании ЗОУ. Из питателей с вращательным движением рабочего органа наиболее пригодными для установки их в УЗ реакторов фторирования являются шнеки, т. к., в отличие от тарельчатых и барабанных питателей, могут транспортировать ТСМ. К тому же, они компактны и безопасны в работе и обслуживании. Таким образом, наиболее подходящими для дозирования ТСМ являются шнеки, т. е. дозаторы, установленные в настоящее время на УП ВОУ. Следовательно, причины недостатков в работе установки следует искать в условиях и режимах работы питателей. Поэтому авторами данной статьи были созданы экспериментальные установки, призванные выявить закономерности дозирования ТСМ, по физикомеханическим свойствам близких к ЗОУ. Таким материалом является цемент.

Рис. 2 Установка с горизонтальным шнеком

Первой была создана установка с горизонтальным шнеком, рис. 2. В результате проведения серии экспериментов была получена градуировочная характеристика установки, рис. 3. Видно, что характеристика линейна. Однако было отмечено, что массового истечения не происходит, т. к. по мере высыпания материала из бункера образуется канал истечения, который охватывает область лишь над первыми витками шнека. Эта область определяет эффективную площадь истечения, которая значительно меньше полной. Поэтому данный метод дозирования не может быть рекомендован к применению для создания автоматизированной системы дозирования ТСМ.

2. 
3. Рис.3 Градуировочная характеристика установки с горизонтальным шнеком.
4. Необходимость применения устройства, облегчающего эвакуацию материала приводит к идее о двухшнековой системе с применением питателя со сводообрушителем, расположенным вертикально и транспортирующем материал к горизонтальному шнеку, рис. 4.
5. 
6. Рис.4 Установка с двухшнековой системой.
7. Первые эксперименты на указанной установке показали, что, несмотря на весьма малый радиус отверстия истечения (8 мм), сводообразование ис ключено. Было обнаружено, что производительность установки зависит в большей мере от частоты вращения вертикального шнека. Поэтому в даль нейших экспериментах частота вращения горизонтального шнека оставалась постоянной, а исследовалась зависимость производительности установки от частоты вращения вертикального шнека. Результатом этих исследований является график градуировочной характеристики. Анализ результатов проведенных экспериментов выявил ряд особенностей работы модели УЗ. Было обнаружено, что зависимость производительности установки от частоты вращения вертикального шнека в целом носит нелинейный характер, а погрешность дозирования достигает 9,6 %. Поэтому установка с двухшнековой системой не удовлетворяет всем предъявляемым к ней требованиям и не может быть использована при создании системы автоматизированного управления процессом дозирования ТСМ. Наиболее подходящей для дозирования сыпучих материалов была бы установка, сочетающая в себе положительные качества обеих установок, описанных выше. Тогда приходим к идее об одно шнековой системе с вертикально расположенным шнеком, транспортирующем материал вниз, и ворошителем, укрепленным на нем. Установка отличается от предыдущей тем, что горизонтальный шнек демонтирован. Экспери менты, проведенные на данной установке, выяви ли, что образование сводов в бункере исключено, а градуировочная характеристика имеет в целом ли нейный характер. Однако имеет место очень большая неравномерность дозирования, выражающаяся в больших доверительных интервалах, рис. 5. То обстоятельство, что установка с вертикально расположенным шнеком пригодна для дозирования ТСМ, привело к необходимости ее более тщательного изучения. Однако вертикальные шнеки, транспортирующие материал вниз, не нашли широкого применения в промышленности, поэтому не существует методик их теоретического расчета.
8. 
9. Рис. 5 Градуировочные характеристики установки с вертикальным шнеком.
10. Таким образом, прежде чем начинать экспериментальные исследования особенностей дозирования ТСМ установкой с вертикально расположенным шнеком, необходимо выявить общие закономерности хранения и движения НГ, а также получить формулы для расчета теоретической производительности вертикального шнека, транспортирующего материал вниз.
11. Таким образом, исследовав питатели для дозирования трудносыпучих материалов и выделив из них те, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым условиями технологического процесса дозирования ТСМ, к применению в системе автоматизированного управления предлагается конструкция УЗ на основе вертикаль но расположенного шнека, транспортирующего материал вниз. Неоспоримыми преимуществами данной конструкции являются: во-первых, полное исключение сводообразования; во-вторых, возможность точного дозирования ТСМ через малые отверстия; в-третьих, простота конструкции с применением лишь одного привода, без применения дополнительных редукторов. Кроме того, конструкция обеспечивает возможность включения установки под нагрузкой, а также устойчивое дозирование, малую инерционность, плавность и линейность регулирования производительности, что делает ее применимой для автоматизированного управления технологическим процессом дозирования трудносыпучих материалов.

    ---

    2. РАСЧЕТ ШНЕКА ДОЗАТОРА

12. 2.1 Конструктивный расчет валка

Общая производительность: 5,0 кг/с = 5000 кг/ч = 5000/800*=0,00625 м3/с 

Задаемся двумя параметрами D и d – внешний и внутренний диаметр валка.

Толщина валка, м.

Из условия обеспечения производительности находим частоту вращения валка, с-1.

где φ – коэффициент заполнения валка продуктом. Принимаем φ=0,8.

Н - шаг валка, м.

Н = 1.5·d=1,5*0,08=0,12 м

Коэффициент осевой подачи продукта к,

к=1,001446

Угол подъема винтовой лопасти по среднему диаметру валка определяется по формуле.

где Rос- осевой радиус, м .

 м

Длина валка определяется по формуле, м.

L = 10 ·d =10*0,08=1,32, Число витков валка.

13. 2.2 Расчет валка оптимизаций для смесителя

Величина действительного перемещения комбикормов по мешалке за один оборот мешалки.

м

где V – массовая производительность, кг/c.

Пм = V · ρ2 =0,00625*800=5 кг/с

ρ2 - плотность комбикормов. Принимаем ρ2 = 800 кг/м3.

ω – угловая скорость определяется по формуле, рад/с ,

ω = 2 · π · n=2*3,14*1,850464=11,62681 рад/с

n – частота вращения, с-1.

Fк – площадь поперечного сечения камеры, м2.

Fк = π · D2 – π · d2 =0,056549 м2 

Полная производительность, кг/сек.

S- величина шага,м

S=0,12м

P2-насыпная масса, кг/м3

P2=800 кг/м3

Потребляемая мощность , Вт.

 Вт.

где ηпер – К.П.Д. нагнетающего шнека. Принимаем η = 0.65

Мощность потребляемая электродвигателем, кВт.

 кВт.  

где ηдв - коэффициент полезного действия электродвигателя, Принимаем ηдв = 0.75

14. 2.3 Расчет массы шнека машины

Размеры заготовки, м.

D0 = d0 + (D-d) =0,09 +(0,24-0,08)=0,295 м,

м

где D – внешний диаметр витка, м.

d – диаметр вала, м.

H – шаг витка

Угол выреза определяется.

град

Масса витка 1 шага, кг.

 кг

где δ – толщина витка шнека, м.

ρм – плотность металла. Принимаем ρм = 7800 кг/м3.

Масса шнековой навивки, кг.

 кг

где L – длина шнека, м.

Масса шнекового вала, кг.

кг

Масса шнека машины, кг.

Моб = Мшн + + Мв = =267,33995+20,84742=167,0933 кг

где Мшн – масса шнековой навивки, кг.

Мв - масса шнекового вала, кг.

15. 2.4 Энергетический расчет

Потребляемая электродвигателем мощность, кВт.

где – мощность, снимаемая с вала электродвигателя;

ηдв - коэффициент полезного действия электродвигателя;

16. 3. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

С точки зрения экономических требований стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации машины должна быть наиболее низкой.

Аппараты, удовлетворяющие эксплуатационным и конструктивным требованиям, неизбежно отвечают также и экономическим требованиям. При внедрении новой техники и более современных аппаратов может случиться, что самый современный аппарат окажется более дорогим. Однако в этом случае, как правило, стоимость эксплуатации аппаратов уменьшается, а качество продукции улучшается, и, таким образом, внедрение нового аппарата становится целесообразным. Более подробно экономические требования рассматриваются в курсах организации производства и экономики промышленности. При проектировании аппарата необходимо стремиться к тому, чтобы процесс, протекающий в нем, осуществлялся в оптимальном варианте. Задача оптимизации заключается в том, чтобы выбрать такой вариант, при котором величина, характеризующая работу аппарата и называемая критерием оптимизации, имела оптимальное значение. В качестве критерия оптимизации чаще всего выбирают себестоимость продукции и приведенные затраты. В таком случае перед проектировщиком ставится задача – спроектировать аппарат с такими данными, которые обеспечат минимальные приведенные затраты или минимальную себестоимость продукции. Главнейшим этапом оптимизации после выбора критерия оптимизации является разработка метода расчета и составление математической модели аппарата. Пользуясь этой моделью, при помощи компьютера находят оптимальный вариант решения.

18. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Антипов С.Т., Кретов И.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств [Текст]. В 2 кн. Кн. 1:Учебник для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов и др. Под. ред. Акад. РАСХН В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – 703 с.

2. Прессы пищевых и кормовых производств. Под. редакцией засл. Деятеля науки и техники РСФСР, д-р техн. наук проф. А.Я. Соколова. М.: « Машиностроение» 1973, 288 с.

Содержание

Введение

1.Нормальное распределение.

2.Точечные оценки параметров распределения.

3.Гистограмма

4. Обработка данных наблюдений с помощью

метода наименьших квадратов

Введение

Метод статистического моделирования дает возможность конструировать для ряда важных задач алгоритмы, хорошо приспособленные к реализации на компьютерах. Под этим названием подразумевают численные методы решения математических задач при помощи моделирования случайных величин и процессов. Основная идея метода – связь между вероятностными характеристиками различных случайных процессов (вероятностями случайных событий или математическими ожиданиями случайных величин) и величинами, являющимися решениями задач математического анализа (значениями интегралов, решениями дифференциальных уравнений и т.п.).

Цель курсовой работы: изучить особенности решения некоторых статистических задач математического моделирования с помощью пакета математических расчётов Mathcad.

Актуальностью данного изучения заключается в том, что метод статистического моделирования даёт возможность оптимизировать процессы разработки, отладки и настройки различных вычислительных систем.

1.Нормальное распределение.

   Говорят, что случайная величина  нормально распределена или подчиняется закону распределения Гаусса, если ее плотность распределения  имеет вид

   где a - любое действительное число, а >0. Смысл параметров a и  будет установлен в дальнейшем. Исходя из связи между плотностью распределения  и функцией распределения F(x), имеем

   График функции  симметричен относительно прямой x=a. Несложные исследования показывают, что функция  достигает максимума при x=a, а ее график имеет точки перегиба при  и . При  график функции асимптотически приближается к оси Ox. Можно показать, что при увеличении  кривая плотности распределения становится более пологой. Наоборот, при уменьшении  график плотности распределения сжимается к оси симметрии. При a=0 осью симметрии является ось Oy. На рис. 11 изображены два графика функции y=. График I соответствует значениям a=0, =1, а график II - значениям a=0, =1/2. 
 

   Покажем, что функция  удовлетворяе условию, т.е. при любых a и  выполняется соотношение

   В самом деле, сделаем в этом интеграле замену переменной, полагая . Тогда

   В силу четности подинтегральной функции имеем

   Следовательно,

   Но,

   В результате получим

   Найдем вероятность . По формуле  имеем

   Сделаем в этом интеграле замену переменной, снова полагая . Тогда ,  и

   Как мы знаем, интеграл  не берется в элементарных функциях. Поэтому для вычисления определенного интеграла вводится функция

   называемая интегралом вероятностей. Для этой функции составлены таблицы ее значений для различных значений аргумента. Получим

   Итак,

   Легко показать, что функция Ф(х) (интеграл вероятностей) обладает следующими свойствами. 
   1°. Ф(0)=0 
   2°. ; при  величина  практически равна 1/2 

   3°. Ф(-x)=-Ф(х), т.е. интеграл вероятностей является нечетной функцией. 

   График функции Ф(х) изображен на рис.. 

   Таким образом, если случайная величина  нормально распределена с параметрами a и , то вероятность того, что случайная величина удовлетворяет неравенствам , определяется соотношением. 
   Пусть >0. Найдем вероятность того, что нормально распределенная случайная величина  отклонится от параметра a по абсолютной величине не более, чем на , т.е. . 
   Так как неравенство  равносильно неравенствам , то полагая в соотношении (32) ,  получим

   Вследствие того, что интеграл вероятностей - нечетная функция, имеем

2.      Точечные оценки параметров распределения.

Пусть требуется изучить количественный признак генеральной совокупности. Допустим, что из теоретических соображений удалось установить, какое именно распределение имеет признак. Возникает задача оценки параметров, которыми определяется это распределение.

Обычно в распоряжении исследователя имеются лишь данные выборки, полученные в результате n наблюдений (здесь и далее наблюдения предполагаются независимыми). Через эти данные и выражают оцениваемый параметр. Рассматривая значения количественного признака как независимые случайные величины, можно сказать, что найти статистическую оценку неизвестного параметра теоретического распределения - это значит найти функцию от наблюдаемых случайных величин, которая и дает приближенное значение оцениваемого параметра.

 Итак, статистической оценкой неизвестного параметра теоретического распределения называют функцию от наблюдаемых случайных величин.

Для того чтобы статистические оценки давали «хорошие» приближения оцениваемых параметров, они должны удовлетворять определенным требованиям: оценка должна быть несмещенной, эффективной и состоятельной.

Поясним каждое из понятий.

  Несмещенной называют статистическую оценку Q*, математическое ожидание которой равно оцениваемому параметру Q при любом объеме выборки, т. е.

M(Q*) = Q.

 Смещенной называют оценку, математическое ожидание которой не равно оцениваемому параметру.

Эффективной называют статистическую оценку, которая (при заданном объеме выборки п) имеет наименьшую  возможную дисперсию.

При рассмотрении выборок большого объема (n велико!) к статистическим оценкам предъявляется требование состоятельности.

Состоятельной называют статистическую оценку, которая при п стремится по вероятности к оцениваемому параметру. Например, если дисперсия несмещенной оценки при п  стремится к нулю, то такая оценка оказывается и состоятельной.

Рассмотрим точечные оценки параметров распределения, т.е.

оценки, которые определяются одним числом Q* =f( x1, x2,…,xn), где x1, x2,…,xn- выборка.

3.Гистограмма

Наглядное представление о характере изменения частот вариационного ряда дают полигон и гистограмма.

Гистограмма — это способ графического изображения интервальных распределений вариант при непрерывном варьировании признака. Гистограмма распределения применяется только для изображения интервального вариационного ряда.

Гистограмма представляет собой столбчатый график, построенный по полученным за определенный период (например, за неделю или за месяц) данным, которые разбиваются на несколько интервалов; число данных, попадающих в каждый из интервалов (частота), выражается высотой столбика.

Данные для построения гистограммы собирают в течение длительного периода - недели, месяца, года и т. д.

Гистограмма – это серия столбиков одинаковой ширины, но разной высоты, показывающая рассеяние и распределение данных. Ширина столбика – это интервал в диапазоне наблюдений, высота – количество данных, приходящихся на тот или иной интервал, т.е. частость. По существу, гистограмма отображает распределение исследуемого показателя. Гистограмма позволяет оценить характер рассеивания показателя и разобраться в том, на чём следует сосредоточить усилия по улучшению.

Гистограмму используют для изображения только интервальных рядов.

Признак называется непрерывно варьирующим, если его значения отличаются друг от друга на сколь угодно малую величину, т.е. признак может принимать любые значения в некотором интервале. Непрерывный вариационный ряд такого признака называетсяинтервальным .

Таблица

Общий вид интервального вариационного ряда частот

Таблица

Общий вид интервального вариационного ряда частостей

Просматривая результаты проведенных наблюдений, определяют, сколько значений вариантов попало в каждый конкретный интервал. Предполагается, что каждому интервалу принадлежит один из его концов: либо во всех случаях левые (чаще), либо во всех случаях правые, а частоты или частости показывают число вариантов, заключенных в указанных границах. Разности (ai-ai+1) называютсячастичными интервалами или интервальными разностями.

Для того чтобы интервальный вариационный ряд не был громоздким и в то же время позволял выявить характерные черты изменения значений случайной величины, обычно число частичных интервалов выбирают от 7 до 10. Длина частичного интервала (интервальная разность) зависит от размаха варьирования и выбранного числа интервалов 

Если окажется, что h – дробное число, то за длину частичного интервала следует брать либо ближайшее целое число, либо ближайшую простую дробь.

Для упрощения последующих расчетов интервальный вариационный ряд можно заменить условно дискретным. В этом случае серединное значение i-го интервала принимают за вариант xi, а соответствующую интервальную частоту mi– за частоту этого интервала.

Гистограммой частот называют ступенчатую фигуру, состоящую из прямоугольников, основаниями которых служат частичные интервалы длины h, а высоты равны отношению   (плотность частоты). Площадь частичного i-го прямоугольника равна  - сумме частот вариант, попавших в i-ый интервал. Площадь гистограммы частот равна сумме всех частот, т.е. объему выборки n

Если соединить середины верхних оснований прямоугольников отрезками прямой, то можно получить полигон того же распределения, который будет являться выборочным аналогом дифференциальной функции распределения f(x).

Гистограммой относительных частотназывают ступенчатую фигуру, состоящую из прямоугольников, основаниями которых служат частичные интервалы длины h, а высоты равны отношению  (плотность относительной частоты). Площадь частичного i-го прямоугольника равна  - сумме относительных частот вариант, попавших в i - ый интервал. Площадь гистограммы относительных частот равна сумме всех относительных частот, т.е. единице.

Характерные типы гистограмм показаны на рис. .

Рис. Характерные типы гистограмм

На рис.,а показан обычный тип гистограммы с двусторонней симметрией, что указывает на стабильность процесса.

На рис.,б в распределении имеется два пика (двугорбая гистограмма). Такая гистограмма получается при объединении двух распределений, например, в случае двух видов сырья, изменения настройки процесса или объединения в одну партию изделий, обработанных на двух разных станках. Требуется расслоение продукции.

На рис.,в показана гистограмма с обрывом. Такое распределение получается, когда невозможно получить значение ниже (или выше) некоторой величины. Подобное распределение имеет место также, когда из партии исключены все изделия с показателем ниже (и/или выше) нормы, т.е. изначально это была партия с большим количеством дефектных изделий. Такое же распределение получается, когда измерительные приборы были неисправны.

На рис.,г показана гистограмма с островком. Получается при ошибках в измерениях, или когда некоторое количество дефектных изделий перемешано с доброкачественными.

На рис.,д показана гистограмма с прогалами («гребёнка»). Получается, когда ширина интервала не кратна единице измерения или при ошибках оператора.

На рис.,е показана гистограмма в форме плато. Получается, когда объединяются несколько распределений при небольшой разнице средних значений. В этом случае требуется расслоение.

4. Обработка данных наблюдений с помощью

метода наименьших квадратов

Пусть в результате наблюдений получена таблица значений параметра при изменении другого параметра в заданных пределах. Требуется установить зависимость . Для этого наносят на плоскость Y0X точки, координаты которых соответствуют значениям данных наблюдений, и проводят кривую, как можно ближе расположенную ко всем точкам. По внешнему виду этой кривой записывают ее аналитическое выражение в общем виде, т.е. в виде функции .

Вматематикезамена истинной зависимости некоторой приближенной , при которой отклонение от на рассматриваемом отрезке было бы возможно малым, называется аппроксимацией. Функция называется аппроксимирующей функцией. Следовательно, задача сводится к установлению аппроксимирующей функции . Для аппроксимации абсолютных частот (пример 4.4) принимаем функцию вида:

Возникает задача определения коэффициентов наилучшим образом, т.е. установления таких значений этих параметров, при которых построенная кривая имела бы минимальные отклонения от всех точек наблюдений.

Существует много методов определения параметров аппроксимирующей функции, но чаще всего используют метод наименьших квадратов. Рассмотрим суть этого метода.

Запишем разность между значениями аппроксимирующей функции и таблично заданной функцией для каждого таблично заданного :

Эта разность называется отклонением аппроксимирующей функции от соответствующего табличного значения. В методе наименьших квадратов сводят к минимуму сумму квадратов отклонений, т.е.

где n - количество данных наблюдений.

Условие минимума суммы самих отклонений, а не их квадратов, не решает проблемы, так как сумма отклонений может быть очень малой и тогда, когда отдельные отклонения очень велики, но имеют разные знаки и взаимно компенсируют друг друга.

Так как и известны, то сумма  есть функция параметров Обозначим ее через Эта сумма всегда положительна и имеет минимум. Для рассматриваемого случая сумма имеет вид:

Выражение (4.4) представляет собой математическую запись метода наименьших квадратов.

Для оценки согласованности полученной функции с данными наблюдений используют среднеквадратичную ошибку

Если , то аппроксимирующая функция согласуется с данными наблюдений. Здесь - допустимая погрешность аппроксимации.