基于Multisim的控制系統(tǒng)串聯(lián)校正分析

孫立軍

（山東經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261011）

1 引言

校正是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，往往需要進(jìn)行大量的分析計(jì)算，既要保證系統(tǒng)具有良好的系能，滿足給定技術(shù)指標(biāo)的要求，又要照顧到便于加工，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。串聯(lián)校正可使開環(huán)系統(tǒng)截止頻率增大，從而閉環(huán)系統(tǒng)帶寬增大，使響應(yīng)速度加快[1]。利用NI Multisim仿真軟件可直觀方便地對(duì)串聯(lián)校正進(jìn)行仿真與分析。

2 NI Multisim簡(jiǎn)介

Multisim的前身是加拿大IIT公司的EWB，其以Windows為基礎(chǔ)，適用于模擬、數(shù)字電路設(shè)計(jì)，后更名為Multisim。2005年2月，Multisim被美國NI公司收購，并與該公司的LabVIEW結(jié)合，性能得到極大提升[2]。

NI Multisim10是NI Electronics Workbench Group于2007年推出的最新款交互式系統(tǒng)分析仿真軟件，提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，提供原理圖捕獲和仿真、交互式虛擬儀器，并與NILabVIEW和NI LabVIEW SignalExpress集成用于測(cè)試。突出特點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[3]：①新版本增添了MCU模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)的仿真；②與LabVIEW等NI產(chǎn)品間實(shí)現(xiàn)了無縫鏈接。

Multisim直觀的設(shè)計(jì)環(huán)境、方便的元件放置與布線、交互式的虛擬儀器、自動(dòng)生成電路的電路向?qū)Ъ翱焖佾@取元件編碼等功能，使得操作者無需成為SPICE專家就能夠使用。借助Multisim的高級(jí)特性能夠完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，其中包括直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、Fourier分析、噪聲分析、失真分析、RF分析、靈敏度分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、零極點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、最壞情況分析、Monte Carlo分析、線寬分析、批處理分析和用戶自定義分析等18個(gè)復(fù)雜的分析方法直至全面的元件庫、MCU以及 VHDL協(xié)同仿真[4]，并將仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的后處理[5]。專業(yè)設(shè)計(jì)者能夠方便地加入最新元件，使用NI LabVIEW測(cè)量軟件快速進(jìn)行原型開發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)。

3 控制系統(tǒng)串聯(lián)校正分析

待校正控制系統(tǒng)如圖1所示由3個(gè)集成運(yùn)放分別構(gòu)成比例、慣性、積分環(huán)節(jié)并串聯(lián)在一起，總的傳遞函數(shù)為

分子分母的最高階次均為2次。根據(jù)Routh穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性不好。利用Multisim的AC頻率分析，頻率范圍設(shè)定1Hz～10GHz，掃描類型為Decade，OUT變量為V[6]，可得系統(tǒng)Bode圖如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)串聯(lián)校正

圖2 控制系統(tǒng)未加串聯(lián)校正Bode圖

校正環(huán)節(jié)由RJ、CJ并聯(lián)后再與R11串聯(lián)構(gòu)成，傳遞函數(shù)為

可見為超前校正。采用相同設(shè)置，校正后的系統(tǒng)Bode圖如圖3所示。

對(duì)比兩圖，可知，校正后系統(tǒng)的低頻段未能得到改善，而中頻段性能得到優(yōu)化，斜率為-20dB/dec，并有足夠的相位裕量。

再對(duì)系統(tǒng)校正前后進(jìn)行瞬態(tài)分析，初始條件設(shè)定為Set to zero，時(shí)間為0～10s，輸出變量為V[6]，結(jié)果如圖4～5所示。

可見，校正后系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度大大加快，這是由于超前校正使系統(tǒng)的穿越頻率增加，從而校正后系統(tǒng)的頻帶變寬。但同時(shí)也使得系統(tǒng)的抗高頻干擾的能力變差。

圖3 控制系統(tǒng)串聯(lián)校正Bode圖

圖4 控制系統(tǒng)未加串聯(lián)校正瞬態(tài)分析

另外，通過Multisim的參數(shù)掃描分析，可方便的觀察校正環(huán)節(jié)各個(gè)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)輸出性能的影響，這里不再贅述。

4 結(jié)論

本文以NI Multisim10為工具，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正進(jìn)行了仿真，通過交流頻率分析和瞬態(tài)分析，著重探討了校正前后系統(tǒng)的性能。借助Multisim10，既擺脫了純理論分析的枯燥與繁瑣，又減少了操作實(shí)際電路所帶來的不方便，重點(diǎn)突出了仿真軟件給教學(xué)、科研、設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)等工作帶來的簡(jiǎn)單、直觀、靈活的效果，可以說是理論聯(lián)系實(shí)際的一座橋梁。

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理(第四版)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:219-239.

[2]路而紅.虛擬電子實(shí)驗(yàn)室——Multisim7＆Ultibcord7[M].北京:人民郵電出版社,2005.

[3]National Instruments Corporation.Getting Started with NI Circuit Design Suite[Z].

[4]NI Electronics Workbench Group.NI Multisim User Manual [Z].

[5]臧春華,鄭步生,魏小龍.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.