OrCAD PSpice在自动化专业综合设计型实验课程中的应用探索

刘丽娜，杜钦君

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

根据教育部“全面推进素质教育，以培养学生创新精神和实践能力为重点”的教育精神和“加强基础、淡化专业、拓宽知识面、注重工程实践”的教学指导思想，多数高校在修订自动化专业本科教学计划时，增加了实践教学课时比例，由在单门专业课程实验环节中开设综合型实验的方式改为在所有专业课程结束后，独立设置2周的综合设计型实验，目的是使学生能综合应用专业课与专业基础课知识，培养学生的实践能力、工程设计能力和综合能力，提高学生发现问题、分析和解决实际问题的能力，提高学生综合应用知识的能力，特别是创新能力[1]。

1 专业综合设计型实验课程的基本要求

专业综合设计课程，首先应将课程的目标定位为“构建综合设计性强，具有能培养创新型人才的自动化专业综合设计实验课程体系”；其次，课程内容注重学科前沿、科研促进教学以及产学研的动态结合。综合设计型实验的实验内容涉及专业的综合知识，主要以实际工程中的自动控制系统、自动检测技术、现代控制理论与智能控制技术为原型，由指定的指导教师确定与自动化专业方向紧密结合，综合性、研究性、探索性强的专业综合设计课题，由学生根据实验平台自己设计实验方案，并加以实现。

在以往的专业综合设计型实验课程的教学过程中，为避免学生接线或设计方案有误而造成设备损坏、人身伤害等损失，指导教师一般预先给出设计指导书，学生需按设计指导书动手做实验，缺少对问题的主动思考，出现问题也不知道从何查起[2－3]。计算机仿真技术在实践教学中的应用是解决这些问题的好方法，引入计算机仿真，充分给予了学生自主机会，学生可以根据实验项目的要求和任务自主搭建实验平台，根据仿真软件的提示对实验框架进行测试与修正。在整个设计过程中，学生可以对系统有直观、全面的认识，对各环节的作用有直观了解，能充分发挥学生的自主创新能力，提高学习积极性，同时还可以避免设备损坏、人身伤害等不必要的损失[4－5]。

综合设计型实验要求有多个实验题目，如基于组态软件的电梯监控系统、温度检测与控制、组态液位检测与控制、直流调速系统的设计、基于Matlab的PID控制系统设计、带观测器的状态反馈控制系统综合设计、基于LQR的倒立摆控制系统设计与仿真等实验项目，这些都需要计算机仿真技术的强大支持。目前，自动化专业使用的仿真软件很多，如 Matlab／Simulink，Multisim，OrCAD PSpice，MaxPlus，Proteus，Protel等，其中最常用的是 Matlab／Simulink，Multisim，OrCAD PSpice。本文将以PSpice在带观测器的状态反馈控制系统综合设计中的应用为例进行说明。

2 带观测器的状态反馈控制系统综合设计实验

2.1 设计任务

线性受控系统的原理框图如图1所示。假设系统的状态不能观测，试设计带观测器的状态反馈控制系统使系统的性能指标满足如下要求：

（1）动态性能指标：超调量σ≤5%；超调时间tp≤0.5s；系统频宽ωb≤10rad／s；

（2）稳态性能指标：阶跃输入信号作用下的静态位置误差ep＝0；斜坡输入信号作用下的静态速度误差ev≤0.2。

带观测器的状态反馈控制系统的状态空间表达式如式（1）所示[6]：

在设计过程中引入的状态反馈控制律为

其中，K＝[k1k2… kn]为状态反馈增益向量。

全维状态观测器的方程为

综合设计的任务就是根据性能指标的要求确定状态反馈增益向量K和观测器增益向量L，然后搭建实验平台进行典型输入信号下系统的性能测试。

2.2 设计过程

2.2.1 确定系统的极点

根据动态性能指标的要求，确定待设计系统的闭环极点，为了使得超调量σ≤5%，可以选择最佳阻尼比ξ＝0.707，此时σ＝4.3%满足要求[7]。根据系统频宽的要求可推得ωn＝ωb≤10rad／s。选择ωn＝10 rad／s。此时，峰值时间≈0.45s满足tp≤0.5s的要求。

所以，闭环系统的期望极点为s1，2＝－ξωn±jωn＝－7.07±j7.07。为使状态观测器能够尽快地估计出原系统的状态，观测器的极点可设置为s1，2＝－14。

2.2.2 计算状态反馈增益向量K和观测器增益向量L

由于原系统完全能控，可以任意配置系统的闭环极点[8]。令K＝[k1k2]，根据闭环系统的期望极点s1，2＝－7.07±j7.07，采用待定系数法可以求得k1＝100，k2＝13.14。

根据观测器的状态方程式（3），令L＝[l1l2]T，由观测器的极点s1，2＝－21，采用待定系数法可以求得l1＝27，l2＝169。

所以，观测器的状态方程为

用观测器的估计状态构成的状态反馈控制系统的方框图如图2所示。

2.2.3 开环放大系数的确定

3 应用OrCAD Pspice综合设计带观测器的状态反馈控制系统

3.1 OrCAD Pspice软件的仿真功能

PSpice是一种通用电路分析程序，能够分析和模拟一般条件下的各种电路特性，它主要包括Schematics、Capture、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、PSpice Optimizer等模块，具有强大的电路图绘制、模拟仿真以及图形后处理功能，可用于做各种电路实验和测试，以便修改与优化设计。如计算直流工作点（Bias Point），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep）分析，瞬态、参数扫描和显示检测点的电压电流波形等多种功能。PSpice软件由于收敛性好，适于做系统及电路仿真，具有快速、准确的仿真能力[9－10]。

3.2 OrCAD PSpice在带观测器的状态反馈控制系统中的应用

应用PSpice软件学生可以方便地在计算机上对原系统和状态反馈控制系统进行仿真设计[11]。首先对原系统进行仿真分析。原系统的电路图如图3所示，其中，理想运放U2的输出即为系统的输出量y＝x1。

信号源选择脉冲信号源VPULSE，设置信号的起始电压为0V，脉冲电压为1V，延迟0.1ms，上升时间为0.1ms，周期为5ms，即为单位阶跃输入信号。作10ms瞬态分析得到的仿真波形如图4所示[12]。对线性受控系统的电路图作直流扫描分析可以得到系统的输出响应曲线如图5所示。由图5可以看出系统的输出为单调递增的形式，线性受控系统不稳定。的要求，将R1改为20kΩ，则k0＝＝5，作1.4s 瞬态分析得到输出响应曲线如图8所示。

由图8可以看出：状态反馈控制系统可以跟踪单位斜坡信号，动态响应过程无超调，存在静态速度误差ev≈0.2，满足系统的性能指标要求。

综合仿真结果可知：所设计的系统能够满足动态和稳态性能指标的要求。因此，可以根据设计的电路图搭建实物电路图，其中，增益GAIN需要用运算放大器的负反馈电路来实现。

根据带观测器的状态反馈控制系统结构如图2所示，绘制状态反馈控制系统的电路图如图6所示。电压观测探针的位置即为新系统的输出y＝x1。

信号源选择脉冲信号源VPULSE，设置信号的起始电压为0V，脉冲电压为1V，延迟为0ms，上升时间为0ms，周期为10s。作10s瞬态分析得到系统的输出响应曲线如图7所示。由图7可以看出系统的输出响应为衰减振荡过程，超调量很小，约为3%，满足超调量的要求；超调时间为0.25s，所以设计的状态反馈控制系统满足动态系统指标的要求。对于稳态指标，显然静态位置误差ep＝0，即状态反馈控制系统可以无差地跟踪阶跃输入信号。

修改脉冲信号源VPULSE，设置信号的起始电压为0V，脉冲电压为2V，延迟0ms，上升时间为2s，周期为2s，即为单位斜坡信号。根据开环放大系数k0

4 结论

本文以带观测器的状态反馈控制系统综合设计为例，对OrCAD PSpice仿真软件在自动化专业综合设计型实验中的应用作了说明。实践证明：引入仿真技术来构建综合设计型实验教学平台，创新了实验教学模式；在实验中应用PSpice仿真设计软件对实验内容进行设计仿真，如直流扫描、瞬态分析等，仿真效果准确、逼真、形象；学生可以在计算机屏幕上根据系统对不同输入信号的要求更改信号源、电路的结构和元器件参数，对实验电路进行仿真，反复测试、观察输出波形，直至满足设计要求为止，从而快速、方便、精确地评价出实验电路设计的正确性，节省了大量的时间；另外，此种实验方式有效地避免了反复搭建实物电路或搭建电路不当带来的设备损坏、人身伤害等问题；在设计过程中，学生还可以方便地进行多种设计方案的比较和优选，从而选择最佳的设计方案，充分发挥了学生的自主创新能力，能提高学习积极性，更好地达到综合设计型实验的培养目的，提高实验教学质量，培养创新人才。

（References）

[1]师玉宝，张志福，王淑钦，等.自动化专业综合设计型实验课程教学模式探索与实践[J].实验技术与管理，2011，28（4）：120-121.

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[12]白杰.PSpice软件信号源的设置与选择[EB／OL].[2012-05-19].http：／／blog.sina.com.cn／s／blog＿599a93df0100zjbx.html.