Модель операционного усилителя

В некоторых случаях, работая с Simulink и SimPowerSystems, пользователю требуется не только отработать алгоритмы управления каким-либо устройством и проверить схемную реализацию системы управления. Аналоговые системы управления обычно реализуются с помощью операционных усилителей (ОУ). Однако в библиотеках SPS отсутствует модель такого устройства. В месте с тем, такую модель достаточно просто создать, используя стандартные блоки Simulink и SimPowerSystems.

Передаточная функция идеализированного операционного усилителя определяется выражением [1]:

,

где

K0 - коэффициент передачи ОУ на постоянном токе,

- постоянная времени первого полюса передаточной функции ОУ,

- частота единичного усиления.

В основу модели операционного усилителя (рис. 10) положен управляемый источник напряжения Controlled Voltage Source. Коэффициент передачи ОУ на постоянном токе (K0) задает усилитель Gain, на вход которого поступает разность входных напряжений усилителя. Блок передаточной функции Transfer Fcn задает частотные свойства операционного усилителя, а подсистема Subsystem обеспечивает ограничение выходного напряжения на уровне напряжений положительной и отрицательной полярностей, имитируя нелинейность характеристики реального усилителя вызванную конечной величиной напряжений питания.

Рис. 10

Схема подсистемы Subsystem приведена на рис. 11. Если сигнал на входе In подсистемы не выходит за предельные значений подаваемые на входы V+ (уровень напряжения ограничения положительной полярности) и V- (уровень напряжения ограничения отрицательной полярности), то входной сигнал проходит на выход подсистемы без изменений. В противном случае на выход проходит сигнал, задающий напряжение ограничения усилителя (положительный, если входной сигнал положительный и отрицательный, если входной сигнал отрицательный).

Рис. 11

Окно задания параметров:

Параметры блока:

Open-loop gain:

[Коэффициент усиления на постоянном токе].

Unity-gain bandwidth, Hz:

[Частота единичного усиления, Гц]. Значение частоты входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Этот параметр определяет максимально возможную полосу пропускания ОУ

Output voltage limits [Vmin Vmax]:

[Напряжения ограничения выходного напряжения]. Параметр задается в виде вектора, первый элемент которого задает положительный уровень ограничения, а второй - отрицательный.

Пример 1:

На рис. 12 показан пример использования ОУ для реализации колебательного звена. Операционный усилитель в данном примере включен по инвертирующей схеме и работает на линейном участке характеристики.

Рис. 12

Скачать пример (OU_Kolebat.zip)

Пример 2:

На рис. 13 показан пример реализации инвертирующего интегратора на операционном усилителе. В данном примере показан выход операционного усилителя на ограничения.

Рис. 13

Скачать пример (OU_Integrat.zip)

Пример 3:

На рис. 14 показан пример включения ОУ по неинвертирующей схеме. Коэффициент передачи усилителя в этом случае определяется выражением

.

При заданных значениях R1 = 2k и Rос = 5k, коэффициент усиления равен3.5 .

Рис. 14

Скачать пример (OU_Non_invert.zip)