Блок Autotuner Field Oriented Control можно использовать для автоматической настройки PI-контроллеров в структуре управления closed-loop field-oriented control (FOC) по отношению к машине, смоделированной в Simulink ® с помощью Motor Control Blockset™. Например, можно использовать блок управления двигателем для создания точной модели двигателя путем сбора данных непосредственно с оборудования и вычисления параметров двигателя. Эта параметрическая модель затем используется для оценки усиления управления контроллерами PI в полевых приложениях управления. Дополнительные сведения см. в разделе Полевое управление (FOC).
Этот рабочий процесс применяется, когда имеется структура ВОК для двигателя с начальным набором контроллеров, так что система с замкнутым контуром стабильна, а модель двигателя работает в номинальной рабочей точке. Используйте блок Autotuner Field Oriented Control для автоматической настройки существующих контроллеров с заданными полосами пропускания и полями фаз.
Для этого блока требуется программное обеспечение Simulink Control Design™.
Блок позволяет автоматически настраивать следующие контуры управления в структуре ВОК с замкнутым контуром:
Контур тока прямой оси (d-оси)
Контур тока квадратурной оси (оси q)
Петля скорости
Контур потока
Блок последовательно выполняет эксперимент с автоматическим подключением по замкнутому контуру для контуров управления током d-оси, током q-оси, скоростью и потоком. В ходе эксперимента для каждого контура блок вводит синусоидальные сигналы возмущения на частотах [1/10,1/3, 1, 3, 10] startc, где startc - заданная целевая полоса пропускания для настройки.
Когда эксперимент завершается, блок использует оцененную частотную характеристику для вычисления коэффициентов усиления PID. Алгоритм настройки стремится сбалансировать производительность и надежность при одновременном достижении заданной полосы пропускания и запаса по фазе. Можно настроить систему на автоматическое обновление выигрышей существующих контроллеров PID, что позволит проверить производительность по замкнутому циклу в том же прогоне моделирования, который используется для настройки.
Примечание
Несмотря на то, что блок Autotuner Field Oriented Control может настраивать контроллеры PID и PIDF, библиотека Blockset Motor Control предоставляет только контроллеры PI. Выберите тип контроллера PI для циклов в параметрах блока. Если требуется использовать другой тип контроллера, можно использовать блок контроллера PID из библиотеки Simulink или собственный пользовательский контроллер PID.
На следующем рисунке показана упрощенная блок-схема ориентированной на поле структуры управления для PMSM. Упрощенная блок-схема показывает параметры в системе отсчета ротора и не включает инвертор, преобразования Park-Clarke или датчики. Подробную модель полевого управления PMSM см. в разделе Полевое управление (FOC). Для PMSM существует три контура управления в ориентированной на поле управляющей структуре: контур управления током по прямой оси, контур управления током по квадратурной оси и контур скорости. Не существует регулятора контура потока, так как поток ротора фиксирован, и опорная точка контура тока d-оси обычно устанавливается равной нулю. В некоторых приложениях можно предоставить отрицательное значение для привязки тока d-оси для осуществления управления ослаблением поля и достижения более высоких скоростей ротора за счет более высокого тока.
В параметрах блока автоматического управления с ориентацией на поле отключите опцию Tune flux loop, так как поток ротора фиксируется постоянным магнитом для данного типа двигателя переменного тока.
Для подключения блока Autotuner Field Oriented Control и настройки контроллеров PI в модели сначала определите входные и выходные параметры в модели. Затем можно подключить блок, как описано ниже.
Для настройки контура управления током по оси d:
Подключите управляющий сигнал от PI_daxis к входному порту PIDout daxis.
Соедините daxis возмущения с помощью блока суммы с выходом PI_daxis, который является эталоном напряжения по d-оси Vd_ref, для изменения входных данных для установки.
Подключите ток по оси d, полученный от измеренных (измеренных или оцененных) токов двигателя, к входному порту измеренного feedback_daxis.
Для настройки контура управления током по оси q:
Подключите управляющий сигнал от PI_qaxis к входному порту PIDout qaxis.
Соедините qaxis возмущения с помощью блока суммы с выходом PI_qaxis, который является эталоном напряжения по оси q Vq_ref, для изменения входных данных для установки.
Подключите ток по оси q, полученный от измеренных (измеренных или оцененных) токов двигателя, к входному порту измеренного feedback_qaxis.
Для настройки контура управления скоростью:
Подключите управляющий сигнал от PI_speed к входному порту скорости PIDout.
Соедините скорость возмущений с помощью блока суммирования с выходом PI_speed, которая является привязкой тока по оси q Iq_ref, для изменения входных данных для установки.
Подключите измеренную (измеренную или расчетную) скорость двигателя к входному порту измеренного feedback_daxis.
Следующая модель иллюстрирует в целом, как блок вписывается в структуру ВОК, как показано на предыдущей блок-схеме.
В процессе автоматического запуска блок подает сигналы возмущения на входы установки, связанные с каждым контуром управления, и измеряет отклики при измеренной обратной связи для каждого контура. Когда эксперимент завершается, блок вычисляет PI усиления и возвращает их в pid усиления порта. Когда эксперимент не выполняется, блок не подает никаких сигналов возмущения. В этом состоянии блок не влияет на поведение установки или контроллера.
Подключите входы и выходы блоков для выбранных контуров, как описано в предыдущем разделе. Для каждого настраиваемого цикла можно настроить следующие параметры контроллера:
Type - укажите действия контроллера PID. Если используется PI-контроллер из библиотеки блоков управления двигателем, установите для этого параметра значение PI для всех контуров.
Форма - укажите форму контроллера. Если используется PI-контроллер из библиотеки блоков управления двигателем, установите для этого параметра значение Parallel.
Время выборки контроллера (сек) - укажите время выборки контроллера.
Метод интегратора - укажите формулу дискретного интегрирования для термина интегратора. Если используется PI-контроллер из библиотеки блоков управления двигателем, установите для этого параметра значение Forward Euler.
Метод фильтрации - укажите формулу для фильтра дискретных производных, если контроллер включает действие производной с термином фильтра производных.
Затем для каждого цикла укажите целевую полосу пропускания и запас по фазе для настройки с параметрами Целевая полоса пропускания (рад/сек) и Целевой запас по фазе (градусы) соответственно.
Целевая полоса пропускания представляет собой целевое значение частоты пересечения усиления 0 дБ настроенного отклика CP с разомкнутым контуром, где P - ответ установки для данного контура, а C - ответ контроллера, связанный с этим контуром. Эта частота пересечения приблизительно задает полосу пропускания управления. Для желаемого времени «нарастания», хорошее предположение для целевой полосы пропускания составляет 2/ Для обеспечения эффективного каскадного управления внутренние контуры управления (d-оси и q-оси) реагируют гораздо быстрее, чем внешние контуры управления (поток и скорость).
Примечание
Как типичное правило, можно установить пропускную способность так, что:
Текущая пропускная способность петли, по меньшей мере, в 10 раз превышает пропускную способность петли скорости.
Пропускная способность токового контура по меньшей мере в 10 раз ниже частоты переключения.
Целевой запас фазы отражает требуемую надежность настроенной системы. Обычно можно выбрать значение в диапазоне около 45 ° -60 °. Как правило, более высокий запас по фазе уменьшает перерасход, но может ограничить скорость отклика. Значение по умолчанию 60 ° имеет тенденцию сбалансировать производительность и надежность, что дает около 5-10% превышения, в зависимости от характеристик вашего завода.
Чтобы использовать те же настройки настройки для внутренних контуров управления, включите параметр Использовать те же настройки для токовых контроллеров контуров (D-ось + Q-ось). Это позволяет задать одинаковые параметры контроллера и цели настройки для контуров тока d-оси и q-оси.
Дополнительные сведения о настройке этих параметров см. на странице ссылки на блок управления с ориентацией по полю.
В параметрах блока укажите время начала и продолжительность эксперимента автоматического запуска для каждого цикла. Блок настраивает только один контроллер за раз, поэтому время начала и продолжительность эксперимента настройки одного цикла не должны совпадать или перекрываться с другим циклом. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллеры внешнего контура. При определении времени и продолжительности начала эксперимента необходимо учитывать следующее.
Запустите эксперимент, когда двигатель находится в требуемой рабочей точке установившегося режима. Используйте начальный контроллер для приведения двигателя в рабочее положение.
Избегайте каких-либо нарушений на входе или выходе двигателя во время эксперимента. Если существующая система с замкнутым контуром имеет хорошее отклонение возмущений, то эксперимент может справиться с небольшими возмущениями. В противном случае большие возмущения могут исказить производительность установки и снизить точность оценки частотного отклика.
Для каждого цикла блочные настройки позволяют эксперименту работать достаточно долго, чтобы алгоритм собрал достаточные данные для хорошей оценки на всех частотах, которые он зондирует. Консервативная оценка длительности эксперимента составляет 200/λ c, где startc - целевая полоса пропускания для настраиваемого цикла.
Кроме того, можно настроить сигнал запуска/остановки, включив параметр Use external source for start/stop of experiment.
Затем задайте параметры эксперимента цикла для каждого настраиваемого цикла. Тип установки определяет, является ли установка, связанная с отдельным контуром, асимптотически стабильной или интегрированной. Параметр Plant Sign (Знак установки) является положительным, если положительное изменение входного сигнала установки в требуемой рабочей точке приводит к положительному изменению выходного сигнала установки. В противном случае знак растения отрицательный. Для настройки ВОК PMSM тип установки является асимптотически стабильным, а знак установки является положительным для всех трех петель.
В эксперименте по оценке частотного отклика синусоидальный сигнал вводится в установку, связанную с каждым контуром, на частотах [1/10, 1/3, 1, 3, 10 ] Параметр Sine Amplitues блока Autotuner, ориентированного на полевое управление, используется для задания амплитуд этих сигналов. Можно указать скалярное значение, чтобы ввести одинаковую амплитуду на каждой частоте, или вектор длиной 5, чтобы задать различную амплитуду на каждой из [1/10, 1/3, 1, 3, 10]
Все амплитуды возмущений должны быть:
Достаточно большой, чтобы возмущение преодолело любую зону нечувствительности в приводе установки и генерировало отклик выше уровня шума.
Достаточно мало, чтобы поддерживать работу установки в пределах приблизительно линейной области вблизи номинальной рабочей точки, и чтобы избежать насыщения ввода или вывода установки.
Дополнительные сведения о настройке параметров эксперимента см. на странице ссылки на блок управления с ориентацией по полю.
После настройки всех параметров настройки запустите модель.
Если в параметрах блока заданы начало и продолжительность эксперимента, то можно выполнить моделирование достаточно долго для начала эксперимента, указав длину моделирования, превышающую сумму наибольшего времени начала и длительности. Например, если время начала эксперимента цикла скорости составляет 5 секунд, а длительность - 3 секунды, то продолжительность моделирования должна быть больше 8 секунд.
Если настроен внешний start/stop сигнал, начать эксперимент, когда установка достигнет стационарного состояния. Дополнительные сведения о настройке внешнего сигнала запуска и остановки см. во входных аргументах блока Autotuner Field Oriented Control.
Эксперимент по оценке частотной характеристики заканчивается, когда start/stop сигнал регистрирует задний фронт.
Если начало и продолжительность эксперимента в параметрах блока настроены так, чтобы процесс настройки начинался и заканчивался в определенное время, разрешите выполнение моделирования до конца эксперимента.
Если настроен внешний start/stop сигнал, завершите эксперимент, когда сигнал на convergence выход стабилизируется около 100% для каждого контура.
В любом случае консервативная оценка для времени эксперимента составляет 200/λ c, где startc - целевая полоса пропускания для настраиваемого цикла. Например, если для настройки контроллера тока d-оси заданная пропускная способность составляет 5000 рад/с, продолжительность эксперимента настройки для контура тока d-оси может составлять 0,04 секунды.
Когда вы прекращаете эксперимент, блок вычисляет новые коэффициенты усиления PI на основе расчетной частотной характеристики установки и заданных целей настройки, связанных с каждым контуром настроек блока. Существует несколько способов просмотра настроенных выигрышей:
Просмотр выходных данных pid gains порт блока autotuner. Одним из способов просмотра этих выходных данных является подключение выходных данных к блоку Simulink Display.
В параметрах блока на вкладке Блок (Block) щелкните Экспорт в MATLAB (Export to MATLAB). Блок создает структуру в рабочем пространстве MATLAB ® ,FOCTuningResult. Дополнительные сведения о содержимом этой структуры см. на странице ссылок на блоки.
Блок Autotuner Field Oriented Control не записывает выигрыши автоматически в контроллеры PI. Настроенный выигрыш можно перенести на контроллеры вручную или с помощью собственной логики.
Для обновления коэффициентов усиления PI вручную можно просмотреть выходные данные pid gains порт блока autotuner. pid gains - сигнал шины, который содержит настроенные коэффициенты усиления PI-контроллеров для каждого цикла блочных мелодий. Для получения структуры можно также щелкнуть Экспорт в MATLAB (Export to MATLAB) в параметрах блока. FOCTuningResult в рабочей области MATLAB, в которую входит настроенный контроллер.
Можно также настроить собственную логику для передачи настроенных коэффициентов усиления PI. Например, блоки маршрутизации сигналов в Simulink можно использовать для хранения, чтения и записи выигрышей контроллерам.
Примечание
При настройке дискретного PI-контроллера из библиотеки блоков управления двигателем выход блока автоматического управления с ориентацией на поле содержит настроенные пропорциональные и интегральные коэффициенты усиления. Поскольку контроллер дискретного PI ожидает интегрального усиления, предварительно умноженного на время выборки контроллера в качестве входного сигнала, вместо Ki используйте Ki * TS при записи нового интегрального усиления в блок контроллера.
После передачи настроенных коэффициентов усиления на контроллеры PI можно наблюдать и проверять постоянную производительность системы с новыми коэффициентами усиления.
Autotuner для управления с ориентацией на поле