基于Multisim的控制系統串聯校正分析

孫立軍

（山東經貿職業學院，山東 濰坊 261011）

1 引言

校正是控制系統設計的重要內容，往往需要進行大量的分析計算，既要保證系統具有良好的系能，滿足給定技術指標的要求，又要照顧到便于加工，經濟性好，可靠性高。串聯校正可使開環系統截止頻率增大，從而閉環系統帶寬增大，使響應速度加快[1]。利用NI Multisim仿真軟件可直觀方便地對串聯校正進行仿真與分析。

2 NI Multisim簡介

Multisim的前身是加拿大IIT公司的EWB，其以Windows為基礎，適用于模擬、數字電路設計，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分析仿真軟件，提煉了SPICE仿真的復雜內容，提供原理圖捕獲和仿真、交互式虛擬儀器，并與NILabVIEW和NI LabVIEW SignalExpress集成用于測試。突出特點表現在以下兩個方面[3]：①新版本增添了MCU模塊，實現了對單片機的仿真；②與LabVIEW等NI產品間實現了無縫鏈接。

Multisim直觀的設計環境、方便的元件放置與布線、交互式的虛擬儀器、自動生成電路的電路向導及快速獲取元件編碼等功能，使得操作者無需成為SPICE專家就能夠使用。借助Multisim的高級特性能夠完成復雜的設計，其中包括直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、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、參數掃描分析、溫度掃描分析、零極點分析、傳遞函數分析、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個復雜的分析方法直至全面的元件庫、MCU以及 VHDL協同仿真[4]，并將仿真結果進行進一步的后處理[5]。專業設計者能夠方便地加入最新元件，使用NI LabVIEW測量軟件快速進行原型開發和測試設計。

3 控制系統串聯校正分析

待校正控制系統如圖1所示由3個集成運放分別構成比例、慣性、積分環節并串聯在一起，總的傳遞函數為

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

圖1 控制系統串聯校正

圖2 控制系統未加串聯校正Bode圖

校正環節由RJ、CJ并聯后再與R11串聯構成，傳遞函數為

可見為超前校正。采用相同設置，校正后的系統Bode圖如圖3所示。

對比兩圖，可知，校正后系統的低頻段未能得到改善，而中頻段性能得到優化，斜率為-20dB/dec，并有足夠的相位裕量。

再對系統校正前后進行瞬態分析，初始條件設定為Set to zero，時間為0～10s，輸出變量為V[6]，結果如圖4～5所示。

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

圖3 控制系統串聯校正Bode圖

圖4 控制系統未加串聯校正瞬態分析

另外，通過Multisim的參數掃描分析，可方便的觀察校正環節各個參數變化對系統輸出性能的影響，這里不再贅述。

4 結論

本文以NI Multisim10為工具，對自動控制系統的串聯校正進行了仿真，通過交流頻率分析和瞬態分析，著重探討了校正前后系統的性能。借助Multisim10，既擺脫了純理論分析的枯燥與繁瑣，又減少了操作實際電路所帶來的不方便，重點突出了仿真軟件給教學、科研、設計、學習等工作帶來的簡單、直觀、靈活的效果，可以說是理論聯系實際的一座橋梁。

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

[2]路而紅.虛擬電子實驗室——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.電子設計自動化技術[M].北京:機械工業出版社,2008.