В этом примере показано, как настроить ПИД-регуляторы для объектов, которые не могут линеаризоваться. Вы используете Linear Analysis Tool, чтобы идентифицировать модель частоты объекта, и затем вы используете PID Tuner, чтобы настроить ПИ-контроллеры для объекта.
Copyright 2018, The MathWorks, Inc.
Этот пример использует схему коррекции коэффициента мощности, описанную в Коррекции Коэффициента мощности Simscape™ Electrical™ в качестве примера для Конвертера Повышения CCM (Simscape Electrical). Предварительные конвертеры коррекции коэффициента мощности корректируют коэффициент мощности загрузок, таким образом увеличивающих КПД системы распределения. Эта коррекция полезна, когда нелинейные импедансы, такие как переключенные источники питания режима соединяются с сеткой AC. Эта модель использует силовой выпрямитель и коммутируемый источник питания режима, чтобы преобразовать 120-вольтовый источник питания переменного тока отрегулированному предоставлению DC 400 В. Полупроводниковые компоненты моделируются с помощью МОП-транзисторов, а не идеал переключается, чтобы гарантировать, что устройство на сопротивлениях правильно представлено.
open_system('Active_PFC.slx')
Подсистема Средств управления имеет каскадный ПИ-контроллер, чтобы управлять током индуктора и выходным напряжением.
open_system('Active_PFC/Controls')
Контроллеры инициализируются с предварительно сконфигурированными усилениями, которые приводят к плохой коррекции коэффициента мощности, как видно из линии, текущей в графике.
В общем случае рабочий процесс для настройки этой каскадной архитектуры контроллера:
Оцените модель частоты объекта для внутреннего текущего цикла между генератором PWM в подсистеме Средств управления и индуктором текущий блок измерения.
Используйте PID Tuner, чтобы импортировать эту модель и настроить текущий ПИ-контроллер.
Оцените, что модель частоты объекта для внешнего цикла напряжения между ПИ-контроллером напряжения вставляется и измеренное напряжение.
Используйте PID Tuner, чтобы импортировать эту модель и настроить ПИ-контроллер напряжения.
В этом примере вы используете Linear Analysis Tool, чтобы оценить данные о частотной характеристике внутреннего текущего цикла. Измените настройку, чтобы сделать объект запущенным к установившемуся в разомкнутом цикле. Установившийся рабочий цикл 0,72 требуется, чтобы получать требование к напряжению 400 В с предоставлением DC 120 В. Установившиеся значения текущего индуктора и напряжение загрузки измеряются, чтобы быть 7.266 А и 405.5 В, соответственно.
Линейные аналитические точки, которые будут использоваться по оценке частотной характеристики, должны быть установлены между генератором PWM к измеренному текущему индуктору, который является входным возмущением и выходным измерением. Чтобы установить эти аналитические точки, сначала откройте вкладку Linearization. Для этого в окне модели Simulink, в галерее Apps, нажимают Linearization Manager.
Чтобы установить входное возмущение, кликните по выходному сигналу постоянного блока. Затем на Вкладке Линеаризации, в галерее Insert Analysis Points, выбирают Input Perturbation.
Чтобы установить выходное измерение, кликните по сигналу от индуктора текущий блок измерения и выберите Output Measurement из галереи Insert Analysis Points.
После подготовки модели, чтобы собрать данные о частотной характеристике, откройте Linear Analysis Tool. В окне модели Simulink, в галерее Apps, нажимают Frequency Response Estimator.
Чтобы анализировать схему коррекции коэффициента мощности, частотная характеристика оценивается от установившейся рабочей точки. Для этого вы создаете новую рабочую точку из снимка состояния симуляции.
В Linear Analysis Tool, на вкладке Estimation, в выпадающем списке Operating Point, выбирают Take Simulation Snapshot.
Во Ввести времена снимка состояния, чтобы линеаризовать диалоговое окно, в поле времен снимка состояния Симуляции, вводят 0,15 секунды, который пора достаточно системе разомкнутого цикла достигнуть устойчивого состояния.
Нажмите Take Snapshots.
Чтобы ввести фиксированный шаг sinestream в модель для оценки частотной характеристики, на Входном сигнале выпадающий список, выбирают Fixed Sample Time Sinestream.
В Задавании фиксированного диалогового окна шага расчета для сигнала sinestream задайте Шаг расчета 2e-7 секунд.
Нажать ОК.
В Создавании sinestream вход с фиксированным диалоговым окном шага расчета, сконфигурируйте параметры сигнала sinestream.
Чтобы задать единицы частоты для оценки, в единицах Частоты выпадающий список, выбирают Hz.
Чтобы выбрать частоты, на которых можно оценить ответ объекта, щелкните + значок.
В Добавить диалоговом окне частот задайте 30 логарифмически расположенных с интервалами частот в пределах от от 10 Гц до 15 кГц.
Установите амплитуду на всех частотах к 0,036, который составляет 5% рабочего цикла устойчивого состояния, чтобы гарантировать, что система правильно взволнована. Если входная амплитуда является слишком большой, рабочая точка изменений корректора коэффициента мощности. Если входная амплитуда слишком мала, sinestream неотличим от пульсаций в схемах силовой электроники. Обе этих ситуации приводят к неточной оценке частотной характеристики.
Оставьте все другие sinestream настройки в их значениях по умолчанию.
Чтобы оценить и построить частотную характеристику, на вкладке Estimation, нажимают Bode.
После оценки частотной характеристики экспортируйте оценку рабочим пространством MATLAB прежде, чем настроить ПИД-регулятор. В Браузере Данных перетащите estsys1 от линейной аналитической рабочей области до рабочего пространства MATLAB.
Настройте текущий ПИ-контроллер в Средствах управления подсистемой, чтобы управлять рабочим циклом MOSFET, можно следующим образом
Чтобы начать настраивать контроллер, откройте диалоговое окно Block Parameters для блока PI Current ПИД-регулятора.
Чтобы открыть PID Tuner, нажмите Tune.
PID Tuner автоматически пытается линеаризовать объект на рассмотрении, но линеаризация является нулем из-за PWM переключающиеся компоненты. Чтобы импортировать данные о частотной характеристике для объекта, в PID Tuner, на Объекте выпадающий список, выбирают Import.
В Получить диалоговом окне модели объекта управления выберите Importing an LTI System, и, в таблице, выберите estsys1.
Нажать ОК.
Чтобы использовать требования частотного диапазона, чтобы настроить контроллер, в разделе Domain, выбирают Frequency. Чтобы исследовать ответ разомкнутого цикла в частотном диапазоне, создайте Диаграмму Боде путем нажатия на Add Plot и выбора Open-loop.
Диаграмма Боде показывает ответ блока (пунктирная линия) и настроенный ответ (сплошная линия). Ответ блока является ответом разомкнутого цикла для текущих усилений PI в блоке PI Controller. Настроенный ответ является ответом разомкнутого цикла с помощью настроенных усилений PI в PID Tuner.
Можно графически настроить усиления далее путем корректировки пропускной способности и запаса по фазе, чтобы иметь желаемую частоту среза так, чтобы у контроллера было хорошее текущее отслеживание уставки. Для этого установите пропускную способность и запас по фазе к 23 600 рад/с и приблизительно 60 градусов, соответственно.
Чтобы обновить блок PID Controller с настроенными усилениями, нажмите Update Block.
Симуляция модели с этими настроенными усилениями обеспечивает хорошее ссылочное текущее отслеживание.
Процесс оценки, что частотная характеристика объекта настраивает внешний цикл напряжения, похож на тот из внутреннего цикла.
Установите линейные аналитические точки ввода-вывода для внешнего цикла между выходом блока ПИ-контроллера, что вы входите в подсистеме Средств управления и напряжении загрузки в модели объекта управления.
Затем в Linear Analysis Tool, устанавливает снимок состояния симуляции в 0,4 секунды, который пора достаточно объекту достигнуть устойчивого состояния.
Создайте вход sinestream с 30 логарифмическими частотами, развертывающимися от 10 Гц до 5 кГц. Установите амплитуду всех этих частот к 0,1, который составляет 10% установившегося входа от ПИ-контроллера.
С этими значениями набор вычислите предполагаемую частотную характеристику estsys2.
Экспортируйте эту модель в рабочее пространство MATLAB, которое будет использоваться с тюнером ПИДа.
Настройте ПИ-контроллер цикла напряжения для объекта, чтобы работать в замкнутом цикле, можно следующим образом
Импортируйте данные о частоте в тюнер ПИДа, чтобы позволить усилениям быть автоматически настроенными для внешнего цикла. Можно переключить предоставление на источник переменного тока, чтобы протестировать против исходной настройки. Усиления подстраиваются с частотой среза, выбранной так, чтобы контроллер мог следовать за выходным напряжением, но отклонить колебания на 120 Гц напряжения выход. Установите пропускную способность на 342,5 рад/секунда и запас по фазе до 60 градусов удовлетворять это требование.
Теперь с настроенными усилениями PI для обоих контроллеры необходимо видеть форму тока индуктора, которая лучше соответствует ссылочному току. Форма волны выходного напряжения имеет лучшее время нарастания с минимальным перерегулированием и хорошее время урегулирования к установившемуся значению.
