В этом примере показан один из нескольких способов настройки PID-контроллера для установок, которые не могут быть линеаризованы. В этом примере используется PID-тюнер на основе частотного отклика, чтобы автоматически охарактеризовать частотную характеристику обратного преобразователя вокруг полосы пропускания управления, а затем настроить PID-контроллер.
Преобразователи Buck преобразуют постоянный ток в постоянный ток. Модель в этом примере использует коммутируемый источник питания для преобразования 30V источника постоянного тока в регулируемый источник постоянного тока. Преобразователь моделируется с использованием МОП-транзисторов, а не идеальных переключателей, чтобы гарантировать правильное представление сопротивлений устройства. Отклик преобразователя от опорного напряжения к измеренному напряжению включает в себя МОП-переключатели. Традиционная конструкция PID требует линейной модели системы от «опорного напряжения» (выход контроллера) до измеренного напряжения. Здесь, однако, из-за переключателей автоматическая линеаризация приводит к нулевой системе. Когда модель линеаризуется до нуля, доступно несколько альтернатив:
Выполните повторную линеаризацию системы. Линеаризация модели в другой рабочей точке или во время имитационного снимка.
Определение нового завода. Используйте измеренные или смоделированные данные для идентификации модели завода (требуется программное обеспечение System Identification Toolbox).
Настройка на основе частотного отклика. Используйте смоделированные данные для получения частотной характеристики завода.
Для этого примера используйте PID-тюнер на основе частотного отклика, чтобы оценить частотные характеристики системы и настроить PID-контроллер. Пример использования идентификации системы для идентификации модели завода см. в разделе Проектирование PID-контроллера с использованием смоделированных данных ввода-вывода.
Дополнительные сведения о создании модели конвертера баков см. в разделе Конвертер баков (Simscape Electrical).
open_system('scdbuckconverter')
Модель сконфигурирована с опорным напряжением, которое переключается от 15 до 25 вольт на 0,004 секунды, и током нагрузки, который активен от 0,0025 до 0,005 секунды. Контроллер инициализируется с усилениями по умолчанию и приводит к перегрузке и медленному времени установки. Моделирование модели показывает недампированный и медленный характер реакции системы.
sim('scdbuckconverter') open_system('scdbuckconverter/Scope 1') open_system('scdbuckconverter/Scope 2')
В этом примере улучшается полоса пропускания и запас по фазе системы для достижения лучшей производительности путем характеристики системы с использованием оценки частотной характеристики и настройки коэффициентов усиления PID. При настройке PID-контроллера обратите внимание на следующие характеристики системы преобразователя баков:
Отсутствие системного технологического или сенсорного шума
Вход контроллера - это сигнал ШИМ
Сигнал ШИМ ограничен (насыщен) и составляет от 0 до 1
Номинальный выход регулятора в установившемся режиме 0,5
Для преобразовательных систем необходимо иметь систему с низким временем подъема и низким перепуском. Для этого примера настройте контроллер так, чтобы получить желаемое время нарастания 250e-6 секунд и превышение менее 10%.
Откройте подсистему контроллера обратной связи, а затем откройте диалоговое окно блока контроллера PID. В разделе «Выбор метода настройки» выберите «Частотный отклик на основе» и нажмите «Настройка». Для контроллера преобразователя подкачки открывается PID-тюнер на основе частотного отклика.
PID-тюнер на основе частотного отклика автоматически настраивает PID-контроллер для установки, используя два моделирования. Первое моделирование генерирует ответ базовой линии. Второе моделирование разрывает петлю на входе установки и возмущает установку синусоидальными и шаговыми сигналами. Тюнер берет разницу между двумя моделируемыми откликами, что устраняет эффект любых возмущений в модели. Затем тюнер использует полученные данные для оценки частотной характеристики установки. Наконец, он использует оцененную частотную характеристику для вычисления коэффициентов усиления PID.
При открытии PID-тюнера на основе частотного отклика он считывает параметры из блока PID Controller для определения структуры вашего PID-контроллера. Эти параметры включают в себя:
Тип контроллера PID (P, I, PI, PID и т.д.)
Форма контроллера МТС (параллельная, идеальная)
Метод интегратора, если применимо (прямой эйлер, трапециевидный и т.д.)
Метод производного фильтра, если применимо (прямой эйлер, трапециевидный и т.д.)
Время выборки, если применимо
Перед настройкой задайте параметры эксперимента, выполняемого тюнером для оценки частотной характеристики установки.
Время начала - это время в секундах, с которого тюнер начинает подавать сигналы возмущения на установку. Выберите время начала установки в номинальной рабочей точке, которую требуется использовать для настройки. В этом примере конвертер buck имеет начальный переходный процесс, который падает на 0,002 секунды. Поэтому для параметра «Время начала» введите значение 0,002.
Задайте длительность эксперимента возмущений. Консервативная оценка продолжительности эксперимента делится на 100 на целевую полосу пропускания. Целевая полоса пропускания составляет приблизительно 2/,, где "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" "" " Для этого примера требуемое время нарастания составляет 250e-6 секунд, что приводит к целевой полосе пропускания 8000 радиан в секунду. В этом примере консервативная оценка длительности составит 100/8000 или 0,0125 секунды. Для параметра «Длительность» выберите 0,0125 секунды.
Во время эксперимента тюнер вводит синусоидальные сигналы в установку на четырех частотах, [1/3, 1, 3, 10], 
где - целевая полоса пропускания, заданная для настройки. Задайте амплитуды введенных синусоидальных волн в поле Синусоидальные амплитуды.
Выберите амплитуды, которые имеют значения выше уровня шума системы и не будут насыщать систему. Для этого примера в системе нет шума, который следует учитывать. Однако выход контроллера (рабочий цикл ШИМ) ограничен [0 1], а номинальный выход контроллера в установившемся состоянии равен 0,5. Чтобы оставаться в этих пределах, задайте амплитуду синуса 0,1. Задание скалярного значения использует одинаковую амплитуду на всех четырех частотах.
Для асимптотически стабильной установки тюнер также вводит сигнал шага для оценки усиления постоянного тока установки. Выберите амплитуду для этого сигнала шага, основываясь на тех же соображениях, что и при выборе амплитуд синусов. В этом примере также введите 0.1 в поле Step Amplitude.
Наконец, укажите целевую полосу пропускания для настройки. Как отмечалось ранее, целевая полоса пропускания составляет 8000 радиан в секунду. Введите 8000 в поле Bandwidth. Заданный по умолчанию предел фазы, 60 градусов, соответствует превышению приблизительно на 10% или выше.
Нажмите кнопку Tune (Настройка), чтобы начать два моделирования преобразователя и настроить PID-контроллер.
По завершении процедуры настройки настроенные коэффициенты усиления, расчетный запас фазы и номинальный входной сигнал установки отображаются в диалоговом окне «Настройка ПИД на основе частотного отклика» в разделе «Результаты настройки». Проверьте расчетный запас фазы, чтобы убедиться, что он близок к целевому пределу фазы.
Для проверки результатов моделирования модели с использованием настроенных коэффициентов усиления PID. Для этого обновите коэффициенты усиления в блоке контроллера PID. Нажмите Обновить блок PID, чтобы записать настроенные коэффициенты усиления в блок контроллера PID. Затем смоделируйте модель для подтверждения производительности контроллера PID.
bdclose('scdbuckconverter')