OrCAD PSpice在自動化專業綜合設計型實驗課程中的應用探索

劉麗娜，杜欽君

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

根據教育部“全面推進素質教育，以培養學生創新精神和實踐能力為重點”的教育精神和“加強基礎、淡化專業、拓寬知識面、注重工程實踐”的教學指導思想，多數高校在修訂自動化專業本科教學計劃時，增加了實踐教學課時比例，由在單門專業課程實驗環節中開設綜合型實驗的方式改為在所有專業課程結束后，獨立設置2周的綜合設計型實驗，目的是使學生能綜合應用專業課與專業基礎課知識，培養學生的實踐能力、工程設計能力和綜合能力，提高學生發現問題、分析和解決實際問題的能力，提高學生綜合應用知識的能力，特別是創新能力[1]。

1 專業綜合設計型實驗課程的基本要求

專業綜合設計課程，首先應將課程的目標定位為“構建綜合設計性強，具有能培養創新型人才的自動化專業綜合設計實驗課程體系”；其次，課程內容注重學科前沿、科研促進教學以及產學研的動態結合。綜合設計型實驗的實驗內容涉及專業的綜合知識，主要以實際工程中的自動控制系統、自動檢測技術、現代控制理論與智能控制技術為原型，由指定的指導教師確定與自動化專業方向緊密結合，綜合性、研究性、探索性強的專業綜合設計課題，由學生根據實驗平臺自己設計實驗方案，并加以實現。

在以往的專業綜合設計型實驗課程的教學過程中，為避免學生接線或設計方案有誤而造成設備損壞、人身傷害等損失，指導教師一般預先給出設計指導書，學生需按設計指導書動手做實驗，缺少對問題的主動思考，出現問題也不知道從何查起[2－3]。計算機仿真技術在實踐教學中的應用是解決這些問題的好方法，引入計算機仿真，充分給予了學生自主機會，學生可以根據實驗項目的要求和任務自主搭建實驗平臺，根據仿真軟件的提示對實驗框架進行測試與修正。在整個設計過程中，學生可以對系統有直觀、全面的認識，對各環節的作用有直觀了解，能充分發揮學生的自主創新能力，提高學習積極性，同時還可以避免設備損壞、人身傷害等不必要的損失[4－5]。

綜合設計型實驗要求有多個實驗題目，如基于組態軟件的電梯監控系統、溫度檢測與控制、組態液位檢測與控制、直流調速系統的設計、基于Matlab的PID控制系統設計、帶觀測器的狀態反饋控制系統綜合設計、基于LQR的倒立擺控制系統設計與仿真等實驗項目，這些都需要計算機仿真技術的強大支持。目前，自動化專業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在帶觀測器的狀態反饋控制系統綜合設計中的應用為例進行說明。

2 帶觀測器的狀態反饋控制系統綜合設計實驗

2.1 設計任務

線性受控系統的原理框圖如圖1所示。假設系統的狀態不能觀測，試設計帶觀測器的狀態反饋控制系統使系統的性能指標滿足如下要求：

（1）動態性能指標：超調量σ≤5%；超調時間tp≤0.5s；系統頻寬ωb≤10rad／s；

（2）穩態性能指標：階躍輸入信號作用下的靜態位置誤差ep＝0；斜坡輸入信號作用下的靜態速度誤差ev≤0.2。

帶觀測器的狀態反饋控制系統的狀態空間表達式如式（1）所示[6]：

在設計過程中引入的狀態反饋控制律為

其中，K＝[k1k2… kn]為狀態反饋增益向量。

全維狀態觀測器的方程為

綜合設計的任務就是根據性能指標的要求確定狀態反饋增益向量K和觀測器增益向量L，然后搭建實驗平臺進行典型輸入信號下系統的性能測試。

2.2 設計過程

2.2.1 確定系統的極點

根據動態性能指標的要求，確定待設計系統的閉環極點，為了使得超調量σ≤5%，可以選擇最佳阻尼比ξ＝0.707，此時σ＝4.3%滿足要求[7]。根據系統頻寬的要求可推得ωn＝ωb≤10rad／s。選擇ωn＝10 rad／s。此時，峰值時間≈0.45s滿足tp≤0.5s的要求。

所以，閉環系統的期望極點為s1，2＝－ξωn±jωn＝－7.07±j7.07。為使狀態觀測器能夠盡快地估計出原系統的狀態，觀測器的極點可設置為s1，2＝－14。

2.2.2 計算狀態反饋增益向量K和觀測器增益向量L

由于原系統完全能控，可以任意配置系統的閉環極點[8]。令K＝[k1k2]，根據閉環系統的期望極點s1，2＝－7.07±j7.07，采用待定系數法可以求得k1＝100，k2＝13.14。

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

所以，觀測器的狀態方程為

用觀測器的估計狀態構成的狀態反饋控制系統的方框圖如圖2所示。

2.2.3 開環放大系數的確定

3 應用OrCAD Pspice綜合設計帶觀測器的狀態反饋控制系統

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驗和測試，以便修改與優化設計。如計算直流工作點（Bias Point），進行直流掃描（DC Sweep）與交流掃描（AC Sweep）分析，瞬態、參數掃描和顯示檢測點的電壓電流波形等多種功能。PSpice軟件由于收斂性好，適于做系統及電路仿真，具有快速、準確的仿真能力[9－10]。

3.2 OrCAD PSpice在帶觀測器的狀態反饋控制系統中的應用

應用PSpice軟件學生可以方便地在計算機上對原系統和狀態反饋控制系統進行仿真設計[11]。首先對原系統進行仿真分析。原系統的電路圖如圖3所示，其中，理想運放U2的輸出即為系統的輸出量y＝x1。

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

由圖8可以看出：狀態反饋控制系統可以跟蹤單位斜坡信號，動態響應過程無超調，存在靜態速度誤差ev≈0.2，滿足系統的性能指標要求。

綜合仿真結果可知：所設計的系統能夠滿足動態和穩態性能指標的要求。因此，可以根據設計的電路圖搭建實物電路圖，其中，增益GAIN需要用運算放大器的負反饋電路來實現。

根據帶觀測器的狀態反饋控制系統結構如圖2所示，繪制狀態反饋控制系統的電路圖如圖6所示。電壓觀測探針的位置即為新系統的輸出y＝x1。

信號源選擇脈沖信號源VPULSE，設置信號的起始電壓為0V，脈沖電壓為1V，延遲為0ms，上升時間為0ms，周期為10s。作10s瞬態分析得到系統的輸出響應曲線如圖7所示。由圖7可以看出系統的輸出響應為衰減振蕩過程，超調量很小，約為3%，滿足超調量的要求；超調時間為0.25s，所以設計的狀態反饋控制系統滿足動態系統指標的要求。對于穩態指標，顯然靜態位置誤差ep＝0，即狀態反饋控制系統可以無差地跟蹤階躍輸入信號。

修改脈沖信號源VPULSE，設置信號的起始電壓為0V，脈沖電壓為2V，延遲0ms，上升時間為2s，周期為2s，即為單位斜坡信號。根據開環放大系數k0

4 結論

本文以帶觀測器的狀態反饋控制系統綜合設計為例，對OrCAD PSpice仿真軟件在自動化專業綜合設計型實驗中的應用作了說明。實踐證明：引入仿真技術來構建綜合設計型實驗教學平臺，創新了實驗教學模式；在實驗中應用PSpice仿真設計軟件對實驗內容進行設計仿真，如直流掃描、瞬態分析等，仿真效果準確、逼真、形象；學生可以在計算機屏幕上根據系統對不同輸入信號的要求更改信號源、電路的結構和元器件參數，對實驗電路進行仿真，反復測試、觀察輸出波形，直至滿足設計要求為止，從而快速、方便、精確地評價出實驗電路設計的正確性，節省了大量的時間；另外，此種實驗方式有效地避免了反復搭建實物電路或搭建電路不當帶來的設備損壞、人身傷害等問題；在設計過程中，學生還可以方便地進行多種設計方案的比較和優選，從而選擇最佳的設計方案，充分發揮了學生的自主創新能力，能提高學習積極性，更好地達到綜合設計型實驗的培養目的，提高實驗教學質量，培養創新人才。

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