基于Multisim的控制系统串联校正分析

孙立军

（山东经贸职业学院，山东 潍坊 261011）

1 引言

校正是控制系统设计的重要内容，往往需要进行大量的分析计算，既要保证系统具有良好的系能，满足给定技术指标的要求，又要照顾到便于加工，经济性好，可靠性高。串联校正可使开环系统截止频率增大，从而闭环系统带宽增大，使响应速度加快[1]。利用NI Multisim仿真软件可直观方便地对串联校正进行仿真与分析。

2 NI Multisim简介

Multisim的前身是加拿大IIT公司的EWB，其以Windows为基础，适用于模拟、数字电路设计，后更名为Multisim。2005年2月，Multisim被美国NI公司收购，并与该公司的LabVIEW结合，性能得到极大提升[2]。

NI Multisim10是NI Electronics Workbench Group于2007年推出的最新款交互式系统分析仿真软件，提炼了SPICE仿真的复杂内容，提供原理图捕获和仿真、交互式虚拟仪器，并与NILabVIEW和NI LabVIEW SignalExpress集成用于测试。突出特点表现在以下两个方面[3]：①新版本增添了MCU模块，实现了对单片机的仿真；②与LabVIEW等NI产品间实现了无缝链接。

Multisim直观的设计环境、方便的元件放置与布线、交互式的虚拟仪器、自动生成电路的电路向导及快速获取元件编码等功能，使得操作者无需成为SPICE专家就能够使用。借助Multisim的高级特性能够完成复杂的设计，其中包括直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、Fourier分析、噪声分析、失真分析、RF分析、灵敏度分析、直流扫描分析、参数扫描分析、温度扫描分析、零极点分析、传递函数分析、最坏情况分析、Monte Carlo分析、线宽分析、批处理分析和用户自定义分析等18个复杂的分析方法直至全面的元件库、MCU以及 VHDL协同仿真[4]，并将仿真结果进行进一步的后处理[5]。专业设计者能够方便地加入最新元件，使用NI LabVIEW测量软件快速进行原型开发和测试设计。

3 控制系统串联校正分析

待校正控制系统如图1所示由3个集成运放分别构成比例、惯性、积分环节并串联在一起，总的传递函数为

分子分母的最高阶次均为2次。根据Routh稳定判据，系统的相对稳定性不好。利用Multisim的AC频率分析，频率范围设定1Hz～10GHz，扫描类型为Decade，OUT变量为V[6]，可得系统Bode图如图2所示。

图1 控制系统串联校正

图2 控制系统未加串联校正Bode图

校正环节由RJ、CJ并联后再与R11串联构成，传递函数为

可见为超前校正。采用相同设置，校正后的系统Bode图如图3所示。

对比两图，可知，校正后系统的低频段未能得到改善，而中频段性能得到优化，斜率为-20dB/dec，并有足够的相位裕量。

再对系统校正前后进行瞬态分析，初始条件设定为Set to zero，时间为0～10s，输出变量为V[6]，结果如图4～5所示。

可见，校正后系统的瞬态响应速度大大加快，这是由于超前校正使系统的穿越频率增加，从而校正后系统的频带变宽。但同时也使得系统的抗高频干扰的能力变差。

图3 控制系统串联校正Bode图

图4 控制系统未加串联校正瞬态分析

另外，通过Multisim的参数扫描分析，可方便的观察校正环节各个参数变化对系统输出性能的影响，这里不再赘述。

4 结论

本文以NI Multisim10为工具，对自动控制系统的串联校正进行了仿真，通过交流频率分析和瞬态分析，着重探讨了校正前后系统的性能。借助Multisim10，既摆脱了纯理论分析的枯燥与繁琐，又减少了操作实际电路所带来的不方便，重点突出了仿真软件给教学、科研、设计、学习等工作带来的简单、直观、灵活的效果，可以说是理论联系实际的一座桥梁。

[1]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2003:219-239.

[2]路而红.虚拟电子实验室——Multisim7＆Ultibcord7[M].北京:人民邮电出版社,2005.

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

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

[5]臧春华,郑步生,魏小龙.电子设计自动化技术[M].北京:机械工业出版社,2008.