OrCAD PSpice在自動(dòng)化專業(yè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用探索

劉麗娜，杜欽君

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

根據(jù)教育部“全面推進(jìn)素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)”的教育精神和“加強(qiáng)基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、拓寬知識面、注重工程實(shí)踐”的教學(xué)指導(dǎo)思想，多數(shù)高校在修訂自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃時(shí)，增加了實(shí)踐教學(xué)課時(shí)比例，由在單門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中開設(shè)綜合型實(shí)驗(yàn)的方式改為在所有專業(yè)課程結(jié)束后，獨(dú)立設(shè)置2周的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，目的是使學(xué)生能綜合應(yīng)用專業(yè)課與專業(yè)基礎(chǔ)課知識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和綜合能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力，特別是創(chuàng)新能力[1]。

1 專業(yè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課程的基本要求

專業(yè)綜合設(shè)計(jì)課程，首先應(yīng)將課程的目標(biāo)定位為“構(gòu)建綜合設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有能培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的自動(dòng)化專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程體系”；其次，課程內(nèi)容注重學(xué)科前沿、科研促進(jìn)教學(xué)以及產(chǎn)學(xué)研的動(dòng)態(tài)結(jié)合。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及專業(yè)的綜合知識，主要以實(shí)際工程中的自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)檢測技術(shù)、現(xiàn)代控制理論與智能控制技術(shù)為原型，由指定的指導(dǎo)教師確定與自動(dòng)化專業(yè)方向緊密結(jié)合，綜合性、研究性、探索性強(qiáng)的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)課題，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并加以實(shí)現(xiàn)。

在以往的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，為避免學(xué)生接線或設(shè)計(jì)方案有誤而造成設(shè)備損壞、人身傷害等損失，指導(dǎo)教師一般預(yù)先給出設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，學(xué)生需按設(shè)計(jì)指導(dǎo)書動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，缺少對問題的主動(dòng)思考，出現(xiàn)問題也不知道從何查起[2－3]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用是解決這些問題的好方法，引入計(jì)算機(jī)仿真，充分給予了學(xué)生自主機(jī)會，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求和任務(wù)自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺，根據(jù)仿真軟件的提示對實(shí)驗(yàn)框架進(jìn)行測試與修正。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以對系統(tǒng)有直觀、全面的認(rèn)識，對各環(huán)節(jié)的作用有直觀了解，能充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，提高學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)還可以避免設(shè)備損壞、人身傷害等不必要的損失[4－5]。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求有多個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，如基于組態(tài)軟件的電梯監(jiān)控系統(tǒng)、溫度檢測與控制、組態(tài)液位檢測與控制、直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、基于Matlab的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、基于LQR的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些都需要計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的強(qiáng)大支持。目前，自動(dòng)化專業(yè)使用的仿真軟件很多，如 Matlab／Simulink，Multisim，OrCAD PSpice，MaxPlus，Proteus，Protel等，其中最常用的是 Matlab／Simulink，Multisim，OrCAD PSpice。本文將以PSpice在帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

2 帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

線性受控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)不能觀測，試設(shè)計(jì)帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足如下要求：

（1）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：超調(diào)量σ≤5%；超調(diào)時(shí)間tp≤0.5s；系統(tǒng)頻寬ωb≤10rad／s；

（2）穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：階躍輸入信號作用下的靜態(tài)位置誤差ep＝0；斜坡輸入信號作用下的靜態(tài)速度誤差ev≤0.2。

帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式如式（1）所示[6]：

在設(shè)計(jì)過程中引入的狀態(tài)反饋控制律為

其中，K＝[k1k2… kn]為狀態(tài)反饋增益向量。

全維狀態(tài)觀測器的方程為

綜合設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)性能指標(biāo)的要求確定狀態(tài)反饋增益向量K和觀測器增益向量L，然后搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行典型輸入信號下系統(tǒng)的性能測試。

2.2 設(shè)計(jì)過程

2.2.1 確定系統(tǒng)的極點(diǎn)

根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，確定待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)，為了使得超調(diào)量σ≤5%，可以選擇最佳阻尼比ξ＝0.707，此時(shí)σ＝4.3%滿足要求[7]。根據(jù)系統(tǒng)頻寬的要求可推得ωn＝ωb≤10rad／s。選擇ωn＝10 rad／s。此時(shí)，峰值時(shí)間≈0.45s滿足tp≤0.5s的要求。

所以，閉環(huán)系統(tǒng)的期望極點(diǎn)為s1，2＝－ξωn±jωn＝－7.07±j7.07。為使?fàn)顟B(tài)觀測器能夠盡快地估計(jì)出原系統(tǒng)的狀態(tài)，觀測器的極點(diǎn)可設(shè)置為s1，2＝－14。

2.2.2 計(jì)算狀態(tài)反饋增益向量K和觀測器增益向量L

由于原系統(tǒng)完全能控，可以任意配置系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)[8]。令K＝[k1k2]，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的期望極點(diǎn)s1，2＝－7.07±j7.07，采用待定系數(shù)法可以求得k1＝100，k2＝13.14。

根據(jù)觀測器的狀態(tài)方程式（3），令L＝[l1l2]T，由觀測器的極點(diǎn)s1，2＝－21，采用待定系數(shù)法可以求得l1＝27，l2＝169。

所以，觀測器的狀態(tài)方程為

用觀測器的估計(jì)狀態(tài)構(gòu)成的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方框圖如圖2所示。

2.2.3 開環(huán)放大系數(shù)的確定

3 應(yīng)用OrCAD Pspice綜合設(shè)計(jì)帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)

3.1 OrCAD Pspice軟件的仿真功能

PSpice是一種通用電路分析程序，能夠分析和模擬一般條件下的各種電路特性，它主要包括Schematics、Capture、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、PSpice Optimizer等模塊，具有強(qiáng)大的電路圖繪制、模擬仿真以及圖形后處理功能，可用于做各種電路實(shí)驗(yàn)和測試，以便修改與優(yōu)化設(shè)計(jì)。如計(jì)算直流工作點(diǎn)（Bias Point），進(jìn)行直流掃描（DC Sweep）與交流掃描（AC Sweep）分析，瞬態(tài)、參數(shù)掃描和顯示檢測點(diǎn)的電壓電流波形等多種功能。PSpice軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力[9－10]。

3.2 OrCAD PSpice在帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

應(yīng)用PSpice軟件學(xué)生可以方便地在計(jì)算機(jī)上對原系統(tǒng)和狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)[11]。首先對原系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。原系統(tǒng)的電路圖如圖3所示，其中，理想運(yùn)放U2的輸出即為系統(tǒng)的輸出量y＝x1。

信號源選擇脈沖信號源VPULSE，設(shè)置信號的起始電壓為0V，脈沖電壓為1V，延遲0.1ms，上升時(shí)間為0.1ms，周期為5ms，即為單位階躍輸入信號。作10ms瞬態(tài)分析得到的仿真波形如圖4所示[12]。對線性受控系統(tǒng)的電路圖作直流掃描分析可以得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖5可以看出系統(tǒng)的輸出為單調(diào)遞增的形式，線性受控系統(tǒng)不穩(wěn)定。的要求，將R1改為20kΩ，則k0＝＝5，作1.4s 瞬態(tài)分析得到輸出響應(yīng)曲線如圖8所示。

由圖8可以看出：狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)可以跟蹤單位斜坡信號，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程無超調(diào)，存在靜態(tài)速度誤差ev≈0.2，滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

綜合仿真結(jié)果可知：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求。因此，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖搭建實(shí)物電路圖，其中，增益GAIN需要用運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，繪制狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的電路圖如圖6所示。電壓觀測探針的位置即為新系統(tǒng)的輸出y＝x1。

信號源選擇脈沖信號源VPULSE，設(shè)置信號的起始電壓為0V，脈沖電壓為1V，延遲為0ms，上升時(shí)間為0ms，周期為10s。作10s瞬態(tài)分析得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖7可以看出系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為衰減振蕩過程，超調(diào)量很小，約為3%，滿足超調(diào)量的要求；超調(diào)時(shí)間為0.25s，所以設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的要求。對于穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，顯然靜態(tài)位置誤差ep＝0，即狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)可以無差地跟蹤階躍輸入信號。

修改脈沖信號源VPULSE，設(shè)置信號的起始電壓為0V，脈沖電壓為2V，延遲0ms，上升時(shí)間為2s，周期為2s，即為單位斜坡信號。根據(jù)開環(huán)放大系數(shù)k0

4 結(jié)論

本文以帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)為例，對OrCAD PSpice仿真軟件在自動(dòng)化專業(yè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用作了說明。實(shí)踐證明：引入仿真技術(shù)來構(gòu)建綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用PSpice仿真設(shè)計(jì)軟件對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，如直流掃描、瞬態(tài)分析等，仿真效果準(zhǔn)確、逼真、形象；學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)屏幕上根據(jù)系統(tǒng)對不同輸入信號的要求更改信號源、電路的結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真，反復(fù)測試、觀察輸出波形，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止，從而快速、方便、精確地評價(jià)出實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的正確性，節(jié)省了大量的時(shí)間；另外，此種實(shí)驗(yàn)方式有效地避免了反復(fù)搭建實(shí)物電路或搭建電路不當(dāng)帶來的設(shè)備損壞、人身傷害等問題；在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生還可以方便地進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的比較和優(yōu)選，從而選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)揮了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，能提高學(xué)習(xí)積極性，更好地達(dá)到綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目的，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

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