Роберт Хайнеманн - Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE

14.1.1. PT1-участок

В технике автоматического регулирования поведение регулируемых участков описывается двумя различными способами: с помощью переходной характеристики и с помощью асимптотической диаграммы.

Рассмотрим PT1-участок PT1_st из библиотеки MISC.slb (рис. 14.1). Этот участок возбуждается источником импульсного напряжения VPULSE с амплитудой 1 В.

Рис. 14.1. PT1-участок с источником напряжения VPULSE

В начале и в конце этого регулируемого участка есть по одному уязвимому для помех месту. Так как переходная характеристика должна быть смоделирована без помех, оба входа zin и zout установлены на 0 В. В результате анализа переходных процессов этой схемы (от 0 до 10 с) была получена переходная характеристика PT1-участка (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Переходная характеристика РТ1-участка после подачи на вход ступеньки напряжения высотой 1 В 

Одновременное изображение частотной и фазовой характеристики PT1-участка при синусоидальном возбуждении называется асимптотической диаграммой. Фазовую характеристику вы сможете получить, отметив в правой части окна Add Traces оператор Р(), с помощью которого изображается положение по фазе какой-либо величины. Так, например, чтобы получить положение по фазе напряжения V(R1:2), вы должны ввести в строку Trace Expression следующую запись: P(V(R1:2)). Самый простой способ сделать это — щелкнуть мышью сначала по оператору P(), а затем по обозначению V(R1:2). На рис. 14.3 изображена асимптотическая диаграмма PT1-участка при синусоидальном возбуждении на входе с помощью источника напряжения VSIN. На диаграмме отчетливо видны два важных свойства, которыми обладает этот PT1-участок: при той частоте, когда выходное напряжение падает до 70.7%, сдвиг по фазе между входным и выходным сигналом составляет -45°. Максимально возможный сдвиг по фазе PT1-участков составляет -90°.

Рис. 14.3. Частотная и фазовая характеристика (асимптотическая диаграмма) PT1-участка 

Регулирующий фрагмент системы — PT3-участок — имеет три энергонакопителя, поэтому результат воздействия ступеньки напряжения на входе попадает на выход с большей задержкой по сравнению с PT1-участком.

На рис. 14.4 дан PT3-участок PT3_st, на рис. 14.5 — его переходная характеристика при возбуждении ступенчатым импульсом источника VPULSE. На рис. 14.6 показана асимптотическая диаграмма той же схемы при синусоидальной возбуждении с помощью источника VSIN.

Рис. 14.4. PT3-участок

Рис. 14.5. Переходная характеристика PT3-участка

Рис. 14.6. Асимптотическая диаграмма PT3-участка

Максимальный сдвиг фазы PT3-участка составляет -270°, то есть каждый из трех энергонакопителей этого участка обеспечивает сдвиг фазы на -90°. Такой значительный сдвиг фазы делает проблематичным регулирование этого участка.

Регулирующие участки разного уровня обладают рядом недостатков. Главным из них является относительное запаздывание реакции системы на возбуждающий импульс. Улучшение временной реакции при сохранении регулирования возможно при применении пропорциональных стабилизаторов.

На рис. 14.7 показана закрытая регулируемая цепь, в которой PT1-участок регулируется с помощью пропорционального регулятора (P-регулятора).

Рис. 14.7. Регулируемая цепь с РТ1-участком и P-регулятором 

К входу w регулятора подсоединен источник напряжения VPULSE, подающий входные команды. P-регулятор сравнивает x — выходную величину регулируемого участка — с входной величиной w. Разница входной и регулируемой величин умножается на коэффициент усиления регулятора Kp. Этот сигнал, передаваемый через регулирующий орган, оказывает управляющее воздействие у на регулируемый участок. Конечно, управляющее воздействие регулирования не безгранично, так как ни один вентиль нельзя открыть дальше, чем это возможно, и ни один операционный усилитель не может подать большее напряжение, чем позволяет напряжение питания. Поэтому для модели P-регулятора предусмотрены ограничения, которые устанавливаются атрибутами Min и Мах.

Показанная переходная характеристика обнаруживает типичное свойство регулирования с помощью P-регуляторов: несмотря на то что входная величина изменяется скачком до 1 В, регулируемая величина достигает всего лишь 0.9 В. При уменьшении коэффициента усиления Kp это «остаточное рассогласование» становится еще больше.

Рис. 14.8. Переходная характеристика регулируемой цепи 

Если ко входу регулируемого участка zin прикладывается импульс помехи напряжением 0.5 В (рис. 14.9), то регулируемая величина имеет переходную характеристику, как на рис. 14.10.

Рис. 14.9. Регулируемая цепь с помехой на входе регулируемого участка

Рис. 14.10. Переходная характеристика регулируемой цепи с учетом действия импульсной помехи

На рис. 14.10 видно, что P-регулятор также не может полностью устранить помехи. 

На рис. 14.11 изображена регулируемая цепь с PT3-участком и P-регулятором. Соответствующая переходная характеристика показана на рис. 14.12.

Рис. 14.11. Регулируемая цепь с PT3-участком и P-регулятором

Рис. 14.12. Переходная характеристика регулируемой цепи; изображенной на рис. 14.11

Характеристика этой регулируемой цепи при Kp=10 абсолютно неудовлетворительна, напряжение участка вибрирует. Чтобы устранить вибрацию, необходимо значительно уменьшить коэффициент усиления Kp регулятора. На рис. 14.13 изображена переходная характеристика регулируемой цепи при Kp=1.5.

Рис. 14.13. Регулируемая цепь с коэффициентом усиления регулятора Kp=1.5 

Колебания устранены, но остаточное рассогласование стало еще больше. Оставшийся выброс в размере 15% можно было бы устранить путем уменьшения Kp, однако это привело бы к еще большему остаточному рассогласованию. Вывод: для регулирования PT3-участка простой P-регулятор не подходит, здесь, пожалуй, необходимо использовать PI- или PID-регулятор. Компоненты PI-Regler и PID-Regler не являются составной частью программного обеспечения, прилагаемого к книге. Эти регуляторы вы сможете найти в коллекции специальных моделей виртуальной лаборатории spicelab. Чтобы заказать ее, напишите по адресу [email protected]

Версии 8.0 и 9.1 не конфликтуют друг с другом, даже если устанавливаются на одном дисководе. Вы можете спокойно заняться изучением версии 9.1, не отказываясь при этом от уже освоенной вами версии 8.0. Принципы работы в новой версии практически не отличаются от тех, которые знакомы вам по предыдущей. Однако важным условием для работы с версией 9.1 является наличие достаточного объема памяти жесткого диска на вашем компьютере (не менее 150 Мб). Даже минимальная инсталляция потребует 150 Мб памяти жесткого диска. Кроме того, вам понадобится как минимум 32 Мб оперативной памяти и процессор Pentium с тактовой частотой 90 МГц.

Важнейшие изменения, появившиеся в версии 9.1:

• редактор проектирования электронных схем — в DEMO-версии для ввода чертежей схем используется уже не редактор MicroSim-SCHEMATICS, а редактор OrCAD-CAPTURE. Два этих редактора проектирования имеют очень много общего, но редактор CAPTURE предлагает своим пользователям больше возможностей для создания профессиональных чертежей и не случайно во всем мире является самым популярным инструментом для проектирования схем. Полная версия 9.1 программы PSPICE позволяет на выбор использовать редакторы проектирования SCHEMATICS или CAPTURE;

• профили моделирования — параметрам настройки различных анализов присваиваются имена (профили моделирования), под которыми они сохраняются. При необходимости сохраненные профили можно снова вызывать, активизировать и даже редактировать;