В этом примере показано, как использовать приложение Control System Tuner для настройки петель тока и скорости в линейном электроприводе с пределами насыщения.
Откройте модель Simulink линейного электропривода:
open_system('rct_linact')
Электрические и механические компоненты моделируются с использованием Simscape Electrical и Simscape Multibody. Система управления состоит из двух каскадных контуров обратной связи, управляющих током возбуждения и угловой скоростью двигателя постоянного тока.
Рис. 1: Регуляторы тока и скорости.
Следует отметить, что контроллер внутреннего контура (тока) является пропорциональным усилением, в то время как контроллер внешнего контура (скорости) имеет пропорциональные и интегральные действия. Выход обоих контроллеров ограничен значением плюс/минус 5.
Нам нужно настроить пропорциональный и интегральный выигрыш, чтобы ответить на требование скорости 2000 об/мин примерно за 0,1 секунды с минимальным превышением. Начальными установками усиления в модели являются P = 50 и PI (s) = 0,2 + 0 ,1/с, и соответствующий отклик показан на рисунке 2. Эта реакция является слишком медленной и слишком чувствительной к нарушениям нагрузки.
Рис. 2: Неподстроенный ответ.
Для совместной настройки обоих контуров обратной связи можно использовать средство настройки системы управления. Сначала откройте программу настройки системы управления на вкладке «Приложения».
Рис. 3: Настройка системы управления открытием.
Откроется программа настройки системы управления.
Рис. 4: Настройка системы управления.
Модель линеаризуется при t = 0,5, чтобы избежать разрывов в некоторых производных при t = 0. Можно задать рабочую точку вLinearize At....
Рис. 5. Настройка рабочей точки для линеаризации.
Установите время снимка линеаризации на t = 0,5.
Рис. 6. Установка времени снимка линеаризации.
Для настройки настроенных блоков системы управления откройте Select Blocks от Tuning вкладка.
Рис. 7: Вкладка настройки тюнера системы управления.
Здесь показан редактор настроенных блоков, в котором можно Add Blocks.
Рис. 8: Редактор настроенных блоков.
Установка настроенных блоков Current PID и Speed PID путем навигации по дереву слева.
Рис. 9: Выбор настроенного блока Current PID.
Рис. 10: Выбор настроенного блока Speed PID.
Выбранные настроенные блоки Current PID и Speed PID показать в редакторе для настроенных блоков.
Рис. 11: Редактор обновлен с помощью выбранных настроенных блоков.
Они также появляются в Tuned Blocks в левой части окна настройки системы управления.
Рис. 12: Обновленные настроенные блоки в тюнере системы управления.
Далее укажите цель отслеживания, чтобы двигатель постоянного тока следовал требованию скорости 2000 об/мин в течение 0,1 секунды. См. различные типы целей в разделе New Goal и выбрать Reference Tracking.
Рис. 13: Доступные цели для выбора в настройщике системы управления.
Назовите цель отслеживания как TR, укажите цель отслеживания из ссылочного ввода rct_linact/Speed Demand(rpm)/1 к опорно-отслеживающему выходному сигналу rct_linact/Hall Effect Sensor/1[rpm] с временем отклика 0,1 секунды.
Рис. 14: Эталонное диалоговое окно отслеживания в настройщике системы управления.
График для указанной цели отслеживания отображается в настройщике системы управления и Tuning Goals в левой части окна Data Browser обновляется.
Рис. 15: Отслеживание цели настройки в тюнере системы управления.
Теперь вы можете настроить пропорциональный и интегральный выигрыш с помощью настройки системы управления с помощью Tune кнопка. Обновлен график отслеживания цели
Рисунок 16: Обновленный план цели отслеживания с настроенными блоками в тюнере системы управления.
Настроенные блоки обновляются с помощью настроенных значений усиления. Чтобы проверить эту конструкцию, постройте график реакции с замкнутым контуром от требуемой скорости к скорости от New Plot из Control System Вкладка.
Рис. 17. Новый график настройки системы управления.
Задайте отклик по замкнутому контуру от требуемой скорости к скорости в диалоговом окне пошагового графика.
Рис. 18. Диалоговое окно «Step Plot» в настройщике системы управления.
График шага ответа показан в настройщике системы управления.
Рис. 19. Пошаговый график настройки системы управления.
Ответ выглядит хорошо в линейной области, поэтому сначала сохраните текущую конструкцию, щелкнув Store и переместите настроенные значения усиления в Simulink, щелкнув Update Blocks и дальнейшую проверку конструкции в нелинейной модели.
Рис. 20: Сохраненные значения настроенных блоков в тюнере системы управления.
Результаты нелинейного моделирования представлены на рис. 21. Нелинейное поведение намного хуже, чем линейное приближение, расхождение, которое можно проследить по насыщениям во внутренней петле (см. рисунок 22).
Рис. 21. Нелинейное моделирование настроенного контроллера.
Рис. 22: Выход контроллера тока (не более плюс/минус 5).
До сих пор мы указывали только желаемое время отклика для внешнего (скоростного) контура. Это оставляет systune свободно распределять управляющее усилие между внутренним и внешним контурами. Насыщения во внутреннем контуре предполагают, что пропорциональный коэффициент усиления слишком высок и что необходимо некоторое ребалансирование. Одним из возможных способов является явное ограничение усиления от команды speed выходами P и PI контроллеров. Для эталона скорости 2000 об/мин и пределов насыщения плюс/минус 5 средний коэффициент усиления не должен превышать 5/2000 = 0,0025. Чтобы быть консервативным, мы можем попытаться удержать коэффициент усиления от отсчета скорости к выходам контроллера ниже 0,001. Для этого добавьте два требования к коэффициенту усиления и повторно установите все три требования к коэффициенту усиления контроллера.
Ограничьте коэффициент усиления от скорости до управляющих сигналов, чтобы избежать насыщения, указав две новые цели на вкладке «Настройка». Необходимо выбрать управляющие сигналы из модели Simulink, поскольку они не определены ранее.
Рис. 23: Диалоговое окно «Goal Dialog» (Цель усиления) от требования скорости к управляющему сигналу PID скорости.
Рис. 24: Диалоговое окно «Goal Dialog» (Цель усиления) от требования скорости к управляющему сигналу текущего PID.
Новые цели усиления появляются в разделе Цели настройки тюнера системы управления.
Рис. 25: Две цели усиления добавлены к настройке системы управления.
Перенастройка с учетом этих дополнительных требований. Отчет о настройке, доступный в правом нижнем углу инструмента, показывает наихудшее усиление 1.39, указывающее, что требования почти, но не полностью выполнены (все требования выполняются, когда окончательное усиление меньше 1).
Рис. 26. Отчет о настройке после перенастройки.
Затем сравните две конструкции в линейной области, щелкнув значок Compare в Control System вкладка.
Рис. 27. Сравнение двух конструкций.
Вторая конструкция менее агрессивна, но по-прежнему соответствует требованию времени отклика.
Рис. 28: Пошаговые ответы двух конструкций.
Наконец, переместите новые настроенные значения усиления в модель Simulink на Update Blocks и имитируют реакцию на потребность в скорости 2000 об/мин и возмущение нагрузки 500 Н. Результаты моделирования представлены на рис. 29, а выходной сигнал контроллера тока показан на рис. 30.
Рис. 29: Нелинейная реакция настройки с ограничениями усиления.
Рис. 30: Выход контроллера тока.
Нелинейные реакции теперь удовлетворительны, и петля тока больше не насыщается. Дополнительные ограничения усиления принудительно systune перераспределение управляющего усилия между внутренним и внешним контурами во избежание насыщения.