郑州航院RLC串联电路稳态电流参数设计.docx
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郑州航院RLC串联电路稳态电流参数设计
郑州航空工业管理学院
课程设计报告
11级质量与可靠性工程专业101班
题目RLC串联电路稳态电流参数设计
姓名涂宏宇学号110510127
指导教师薛丽职称教授
二О一四年十二月一日目录
RLC串联电路稳态电流参数设计
题目
110510127涂宏宇指导教师：
薛丽教授
0课程设计内容介绍
1对象介绍:
本次课程设计的对象是RLC电路，RLC电路是包含了电阻R单位为欧姆（Ω，Ohm）、电感L单位是亨利（henry），标记为H，、电容单位是法拉（farad），标记为F，和电源单位为伏特（V）等这些电气元件组成的电路。
这些电器元件连接起来，构成闭合回路，为电荷的流通提供载体和路径。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
2目标：
本次实验的目标是要实现稳态电流，找到使电流大小控制在10A得最佳参数组合，并且尽量保证经济性和稳健性。
稳健性我们可以用信噪比和灵敏度去检验，经济性我们可以根据各个元件的精度获得。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
质量特性y：
稳态电流。
目标值：
m=10A。
1找到最佳参数组合。
2稳健性：
质量特性波动小，抗干扰（外、内、间）能力强。
3经济性：
产品成本低，价格便宜。
3简要步骤：
1制定可控因素水平表。
2利用正交表进行内设计。
3制定误差因素水平表。
4用内外表直积法进行外设计。
5求质量特性值。
6计算SN比和灵敏度。
7统计分析。
8确定最佳参数设计方案。
1定义阶段（Define）
1.1电阻
在电磁学里，电阻是一个物体对于电流通过的阻碍能力，定义为
R=V/I。
其中，R为电阻，V为物体两端的电压，I为通过物体的电流。
电阻的单位为欧姆（Ω，Ohm）尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
电阻器（Resistor），泛指所有用以产生电阻的电子或电机配件。
1.2电感
电感（inductance）是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。
电感的单位是亨利（henry），标记为“H”，是因美国科学家约瑟·亨利命名。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
电感器（inductor）是专门用在电路里实现电感的电路元件。
螺线管是一种简单的电感器，指的是多重卷绕的导线（称为“线圈”），内部可以是空心的，或者有一个金属芯，特点是阻交流通直流。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
1.3电容
在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。
记为C=Q/V。
电容的单位是法拉（farad），标记为F。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
电容器（Capacitor）是两金属板之间存在绝缘介质的一种电路元件，它利用二个导体之间的电场来储存能量，特点是阻直流通交流。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
2测量阶段（Measure）
2.1制定可控因素水平表
实验电路为RLC电路，可控因素为电阻R，电感L和电容C，先设置初始值如下表：
表2-1可控因素水平表
水平因素
1
2
3
R（Ω）
10
12
15
L（H）
0.01
0.02
0.03
C（uF）
120
150
180
2.2内设计
选用正交表L9（34）进行内设计。
设计方案如下表：
表2-2内表
序号
R（Ω）
1
L（H）
2
C（uF）
3
1
1（10）
1（0.01）
1（120）
2
1
2（0.02）
2（150）
3
1
3（0.03）
3（180）
4
2（12）
1
2
5
2
2
3
6
2
3
1
7
3（15）
1
3
8
3
2
1
9
3
3
2
2.3制定误差因素水平表
在RLC电路中，误差因素有5个，它们是电阻R′，电感L′，电容C′，电压V′和频率ƒ′。
由于本次实验为使电路的质量特性抗干扰能力强，所以根据：
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
电压U=220V，国家标准对电网电压波动等级有如下规定：
电压等级A级B级C级
波动范围≤±5%≤±7%≤±10%
频率f=50Hz，国家标准对电网频率波动等级有如下规定：
频率等级A级B级C级
波动范围≤±0.05Hz≤±0.50Hz≤±1.00Hz
外干扰选取最大波动的C级电压和C级频率,如下：
V'1=198V，V'2=220V，V'3=242V
f'1=49Hz,f'2=50Hz,f'3=51Hz
内干扰电阻R′，电感L′，电容C′选取精度为10%的E12标准。
其三水平如下：
第二水平=内表给出的中心
第一水平=内表给出的中心值×（1-10%）
第三水平=内表给出的中心值×（1+10%）
则9个方案的误差因素水平表如表2-3所示：
表2-3误差因素水平表
内表方案号
水平号
误差因素
R'
L'
C'
V'
f'
1
R=10L=0.01
C=120
1
9
0.009
108
198
49
2
10
0.01
120
220
50
3
11
0.011
132
242
51
2
R=10L=0.02
C=150
1
9
0.018
135
198
49
2
10
0.02
150
220
50
3
11
0.022
165
242
51
3
R=10L=0.03
C=180
1
9
0.027
162
198
49
2
10
0.03
180
220
50
3
11
0.033
198
242
51
4
R=12L=0.01
C=150
1
10.8
0.009
135
198
49
2
12
0.01
150
220
50
3
13.2
0.011
165
242
51
5
R=12L=0.02
C=180
1
10.8
0.018
162
198
49
2
12
0.02
180
220
50
3
13.2
0.022
198
242
51
6
R=12L=0.03
C=120
1
10.8
0.027
108
198
49
2
12
0.03
120
220
50
3
13.2
0.033
132
242
51
7
R=15L=0.01
C=180
1
13.5
0.009
162
198
49
2
15
0.01
180
220
50
3
16.5
0.011
198
242
51
8
R=15L=0.02
C=120
1
13.5
0.018
108
198
49
2
15
0.02
120
220
50
3
16.5
0.022
132
242
51
9
R=15L=0.03
C=150
1
13.5
0.027
135
198
49
2
15
0.03
150
220
50
3
16.5
0.033
165
242
51
2.4进行外设计
选用L27（35）正交表进行外设计，采用内外表直积法，其直积方案如下图：
表2-4内外表直积方案
实验号K
因素、列号j’
1
2
3
…
26
27
R'
1
L27（35）
（外表）
L'
2
C'
3
V'
4
f'
5
因素、列号j’
实验号i
R
L
C
ηi
Si
yi1
yi2
yi3
…
yi26
yi27
1
2
3
4
（dB）
（dB）
1
L
（3
）
（内表）
η1
S1
y11
y12
.........
y127
2
η2
S2
y21
y22
.........
y227
3
η3
S3
..........
..........
4
η4
S4
5
η5
S5
6
η6
S6
7
η7
S7
8
η8
S8
9
η9
S9
y91
y92
.........
y927
2.5测质量特性y
可利用Multisim软件进行实验，测得质量特性y即电流强度，首先给出内表中一号方案的外表。
表2-5内表中一号方案的外表
列号
序号i因素j
1
R'
2
L'
3
C'
4
V'
5
f'
yi
1
1（9）
1（0.009）
1（108）
1（198）
1（49）
6.888
2
1
1
1
1
2（50）
7.040
3
1
1
1
1
3（51）
7.193
4
1
2（0.01）
2（120）
2（220）
1
8.586
5
1
2
2
2
2
8.780
6
1
2
2
2
3
8.974
7
1
3（0.011）
3（132）
3（242）
1
10.732
8
1
3
3
3
2
10.978
9
1
3
3
3
3
11.225
10
2（10）
1
2
3
1
9.211
11
2
1
2
3
2
9.408
12
2
1
2
3
3
9.606
13
2
2
3
1
1
8.521
14
2
2
3
1
2
8.702
15
2
2
3
1
3
8.886
16
2
3
1
2
1
7.720
17
2
3
1
2
2
7.893
18
2
3
1
2
3
8.067
19
3（11）
1
3
2
1
8.997
20
3
1
3
2
2
9.182
21
3
1
3
2
3
9.364
22
3
2
1
3
1
8.302
23
3
2
1
3
2
8.408
24
3
2
1
3
3
8.609
25
3
3
2
1
1
7.583
26
3
3
2
1
2
7.747
27
3
3
2
1
3
7.912
依次测算内表中其余8个方案所对应的稳态电流值如表2-6所示：
表2-6内外表直积法测算出的电流强度
表i
内
内表i
外表j
1
2
3
4
5
6
7
8
9
yi1
6.888
9.616
10.966
8.295
10.949
8.149
8.398
8.023
9.785
yi2
7.040
9.872
11.199
8.464
11.202
8.388
9.841
8.195
10.063
yi3
7.193
10.135
11.430
8.633
11.456
8.630
10.057
8.342
10.223
yi4
8.586
12.277
14.639
10.239
13.699
10.544
11.015
9.814
11.930
yi5
8.780
12.615
13.901
10.477
14.009
10.877
11.130
9.984
12.099
yi6
8.974
12.958
14.146
10.655
14.318
11.206
11.242
10.151
12.257
yi7
10.732
15.375
16.269
12.376
16.724
13.416
12.700
11.681
13.939
yi8
10.978
15.971
16.510
12.625
17.085
13.843
12.817
11.869
14.089
yi9
11.225
16.250
16.734
12.873
17.422
14.276
12.931
12.053
14.228
yi10
9.211
12.761
13.535
10.816
13.963
10.868
11.189
10.018
11.827
yi11
9.408
13.080
13.752
11.019
14.243
11.168
11.289
10.169
11.971
yi12
9.606
13.402
13.961
11.221
14.519
11.469
11.386
10.317
12.109
yi13
8.521
10.729
11.909
9.663
12.547
10.154
9.538
8.793
10.220
yi14
8.702
11.012
12.067
9.841
12.783
10.437
9.612
8.916
10.318
yi15
8.886
11.299
12.215
10.016
13.014
10.726
9.685
9.035
10.410
yi16
7.720
11.017
12.245
9.203
12.297
9.148
9.903
8.816
10.712
yi17
7.893
11.319
12.472
9.390
12.572
9.462
10.007
8.968
10.863
yi18
8.067
11.616
12.690
9.576
12.849
9.751
10.107
9.118
11.008
yi19
8.997
12.279
11.972
10.254
12.868
10.491
9.786
9.042
10.286
yi20
9.182
12.577
12.112
10.425
13.081
10.753
9.852
9.151
10.374
yi21
9.364
12.836
12.243
10.595
13.287
11.015
9.915
9.257
10.457
yi22
8.302
11.518
12.266
9.763
12.627
9.810
10.139
9.066
10.726
yi23
8.408
11.807
12.467
9.947
12.883
10.082
10.232
9.205
10.860
yi24
8.609
12.097
12.667
10.129
13.133
10.357
10.321
9.342
10.987
yi25
7.583
11.043
10.828
8.786
11.408
9.231
8.670
7.993
9.291
yi26
7.747
11.342
10.970
8.946
11.621
9.490
8.739
8.105
9.380
yi27
7.912
11.642
11.140
9.105
11.832
9.750
8.804
8.231
9.464
3分析阶段（Analyze）
3.1计算各种方案的信噪比η和灵敏度S
根据内表中的每号方案得到的27个质量特性yi1，yi2,…，yi27，可以利用下列公式算出Si和ηi：
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
（1）
（2）
（3）
（4）
利用Excel编写公式计算出各种方案的信噪比η和灵敏度S如表3-1所示：
表3-1内表的统计分析
因素序号
R
1
L
2
C
3
（e）
4
ηi（dB）
Si（dB）
1
1
1
1
1
17.334
18.774
2
1
2
2
2
17.349
21.199
3
1
3
3
3
17.342
22.184
4
2
1
2
3
18.594
20.104
5
2
2
3
1
18.566
22.457
6
2
3
1
2
18.976
21.630
7
3
1
3
2
18.993
20.420
8
3
2
1
3
18.696
20.292
9
3
3
2
1
18.403
20.909
η分析
T1j
52.025
54.921
55.006
T=
=
CT=
ST=
T2j
56.136
54.611
54.346
T3j
56.092
54.721
54.901
S分析
T1j
62.157
59.298
60.696
T=
CT=
T2j
64.191
63.948
62.212
T3j
61.621
64.723
65.061
3.2SN比η的方差分析
将上表中数据导入minitab软件，进行方差分析如下：
表3-2方差分析工作表
3.3制定因素分类表
根据方差分析结果中显著性因素，可得因素分类表如表3-3所示：
表3-3因素
因素类别
信噪比分析
灵敏度分析
因素名称
1
*
*
稳定因素无
2
*
/
稳定因素R
3
/
*
调整因素L
4
/
/
次要因素C
4改进阶段（Improve）
4.1信噪比分析
由minitab数据可知R影响显著。
如表3-1所示，R的最优水平为R2，L的最优水平为L1，C的最优水平为C1，因此最优水平组合为R2L1C1，它使得信噪比η值最大，是稳定性最好的设计方案。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
如表3-1所示,第7号方案的信噪比值最大为18.993dB,因此可选R3L1C3为最好的设计方案。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
再次利用Multisim7软件分别测算原方案和新方案的稳态电流值，并计算其相应的统计特性如表4-1所示：
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
表4-1两种方案统计特性的比较
内表i
外表j
原方案R3L2C1
（R=15Ω,L=0.02mH,C=120mF）
新方案R3L1C3
（R=15Ω,L=0.01mH,C=180mF）
1
8.023
8.398
2
8.195
9.841
3
8.342
10.057
4
9.814
11.015
5
9.984
11.130
6
10.151
11.242
7
11.681
12.700
8
11.869
12.817
9
12.053
12.931
10
10.018
11.189
11
10.169
11.289
12
10.317
11.386
13
8.793
9.538
14
8.916
9.612
15
9.035
9.685
16
8.816
9.903
17
8.968
10.007
18
9.118
10.107
19
9.042
9.786
20
9.151
9.852
21
9.257
9.915
22
9.066
10.139
23
9.205
10.232
24
9.342
10.321
25
7.993
8.670
26
8.105
8.739
27
8.231
8.804
ηi
19.455
18.993
9.39
10.345
所以应该选取稳定性更好的R3L1C3方案。
4.2灵敏度分析
如表3-2所示，L为调整因素，当最优水平组合的响应没有达到目标时，可通过调整因素L进行调整，利用Multisim7软件调整L为0.005H时，得到稳态电流值为10.087A，与目标值最接近。
对这两种方案的统计特性作比较如表4-2所示：
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
表4-2两种调整方案统计特性的比较
内表i
外表j
调整方案1：
R3LC3
（R=15Ω,L=0.005mH,C=180mF
调整方案2：
R3LC3
（R=15Ω,L=0.009mH,C=180mF
1
8.596
8.941
2
8.727
9.084
3
8.857
9.232
4
10.318
10.792
5
10.466
10.959
6
10.612
11.123
7
12.121
12.741
8
12.284
12.929
9
12.443
13.109
10
10.796
11.201
11
10.936
11.305
12
11.073
11.507
13
9.376
9.767
14
9.489
9.893
15
9.600
10.015
16
9.280
9.702
17
9.414
9.853
18
9.545
10.000
19
9.861
10.194
20
9.967
10.310
21
10.070
10.423
22
9.760
10.128
23
9.887
10.270
24
10.012
10.409
25
9.524
8.881
26
9.626
8.994
27
9.726
9.106
信噪比η
20.074
20.041
平均值y
10.087
10.402
4.3确定最佳参数设计方案
由表看出，L=0.005H时稳定性更好，电流平均值与目标值也更接近，测得L=0.005H时的稳态电流值为10.087A，L=0.009H时的稳态电流值为10.402A，所以选取R=15Ω（采用E12标准件，波动量为10%），L=0.005H，C=180uF（采用E12标准件，波动量为10%）的组合，在电压为U=220V，C等级（波动量为10%），电源频率为f=50Hz，C等级（波动量为0.02%）时，电路的稳态电流为10.087A，信噪比为20.074dB。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
5课程设计总结
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情，这个实验极大的考验了我们在实验过程中的细心，因为繁琐的数据和单调的统计数据难免会有失误，虽然过程结果不是很完美，但是，但是做的过程中却培养了我们做什么事都要有细心的好习惯，才能在以后的工作和生活中更加细心。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
参考文献
[1]牛小娟，质量工程II课件，2014.鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
[2]张公绪，孙静.新编质量管理学.北京:
高等教育出版社，2003.
课程设计答辩评语
成绩答辩组长签名20年月日
附：
答辩小组成员名单：
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