В этом примере показано, как использовать блок автоотюнера PID с замкнутым контуром для настройки полевого управления (FOC) для асинхронной машины (ASM) только в одном моделировании.
В этом примере в Simulink ® моделируется полевое управление для асинхронной машины (ASM) с использованием компонентов Simscape™ Electrical™. Модель основана на примере Simscape Трехфазный асинхронный привод с сенсорным управлением (Simscape Electrical).
mdl = 'scdfocasmPIDTuning';
open_system(mdl)
Ориентированное на поле управление управляет трехфазными токами статора в виде вектора. ВОК основан на проекциях, которые преобразуют 3-фазную зависящую от времени и скорости систему в двухкоординатную инвариантную по времени систему. Эти преобразования представляют собой преобразование Кларка, преобразование парка и их соответствующие обратные преобразования. Эти преобразования реализуются как блоки в подсистеме управления.
Преимущества использования ВОК для управления электродвигателями переменного тока:
Прямой и раздельный контроль крутящего момента и потока
Точное управление в переходном и устойчивом режиме
Аналогичные характеристики по сравнению с двигателями постоянного тока
Подсистема управления содержит все четыре контроллера PI. Контроллер PI частоты вращения внешнего контура регулирует частоту вращения двигателя. Регулятор PI потока внешнего контура регулирует поток статора. Два ПИ-контроллера внутреннего контура управляют токами d-оси и q-оси по отдельности. Команда от контроллера PI скорости внешнего контура подается непосредственно на ось q для управления крутящим моментом. Команда для d-оси является ненулевой для ASM и является результатом контроллера PI потока внешнего контура.
Существующие контроллеры PI имеют следующие преимущества:
Контроллер скорости PI имеет коэффициент усиления P = 65,47, а I = 3134,24.
Регулятор ПИ потока имеет коэффициенты усиления P = 52,22 и I = 2790,51.
Контроллер PI D-оси имеет коэффициенты усиления P = 1,08 и I = 207,58.
Q-ось PI контроллера имеет коэффициенты усиления P = 1,08 и I = 210,02.
Выигрыши контроллера сохраняются в блоке памяти хранилища данных и предоставляются извне каждому блоку PID. Когда процесс настройки контроллера завершен, новые настроенные коэффициенты усиления записываются в блок памяти хранилища данных. Эта конфигурация позволяет в режиме реального времени обновлять выигрыш контроллера во время моделирования.
Блок Autotuner PID с замкнутым контуром позволяет настраивать один контроллер PID одновременно. Он вводит синусоидальные сигналы возмущения на вход установки и измеряет выход установки во время эксперимента с замкнутым контуром. Когда эксперимент прекращается, блок вычисляет коэффициенты усиления PID на основе частотных характеристик установки, оцененных в небольшом количестве точек вблизи требуемой полосы пропускания. Для этой модели OCOC ASM для каждого из четырех контроллеров PI может использоваться блок автозапуска PID с замкнутым контуром.
Этот рабочий процесс применяется при наличии исходных контроллеров, которые необходимо повторно запустить с помощью блока автоматического запуска PID с замкнутым контуром. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:
Если во время эксперимента происходит непредвиденное нарушение, он отклоняется существующим контроллером для обеспечения безопасной работы.
Существующий контроллер поддерживает работу установки вблизи номинальной рабочей точки, подавляя сигналы возмущения.
При использовании блока Autotuner PID с замкнутым контуром как для моделирования, так и для приложений реального времени:
Растение должно быть либо асимптотически устойчивым (все полюса строго стабильны), либо интегрирующим. Блок автотюнера не работает с нестабильной установкой.
Контур обратной связи с существующим контроллером должен быть стабильным.
Для более точной оценки частотных характеристик растений в реальном времени минимизируйте возникновение любого нарушения в модели ВОК ASM во время эксперимента. Блок автотюнера ожидает, что выходной сигнал установки будет ответом только на вводимые сигналы возмущения.
Поскольку контур обратной связи замкнут во время эксперимента, существующий контроллер также подавляет введенные сигналы возмущения. Преимущество использования эксперимента с замкнутым контуром заключается в том, что контроллер поддерживает работу установки вблизи номинальной рабочей точки и поддерживает безопасную работу. Недостаток заключается в том, что это снижает точность оценки частотной характеристики, если целевая полоса пропускания находится далеко от текущей полосы пропускания.
Вставьте блок автозапуска PID с замкнутым контуром между блоком PID и установкой для всех четырех контроллеров PI, как показано в модели FLOC ASM. start/stop сигнал начинает и прекращает эксперимент с замкнутым контуром. Когда эксперимент не выполняется, блок автоотюнера PID с замкнутым контуром ведет себя как блок единичного усиления, в который
непосредственно поступает сигнал.
Просмотрите первоначальную структуру управления для машинного преобразователя с четырьмя контроллерами PI.
Чтобы изменить структуру управления, включите блок автозапуска PID с замкнутым контуром в каждый из контроллеров PI. Просмотрите измененную структуру управления для машинного преобразователя.
После соединения блока автоотюнера PID с замкнутым контуром с моделью завода и блоком PID настройте параметры настройки и эксперимента.
На вкладке Настройка имеются два основных параметра настройки:
Целевая полоса пропускания - определяет скорость ответа контроллера. В этом примере выберите 5000 rad/c для управления током внутреннего контура и 200 рад/сек для управления внешним контуром.
Целевой запас фазы - определяет, насколько надежным должен быть контроллер. В этом примере выберите 70 градусы для управления током внутреннего контура и 90 степени для управления внешним контуром.
На вкладке Эксперимент (Experiment) имеются три основные настройки эксперимента:
Тип растения - указывает, является ли растение асимптотически стабильным или интегрированным. В этом примере модель FLOC ASM стабильна.
Знак растения - указывает, имеет ли растение положительный или отрицательный знак. Знак установки является положительным, если положительное изменение входного сигнала установки в номинальной рабочей точке приводит к положительному изменению выходного сигнала установки, когда установка достигает нового устойчивого состояния. В противном случае знак растения отрицательный. Если растение стабильно, знак растения эквивалентен знаку усиления постоянного тока. Если установка интегрируется, знак установки является положительным (или отрицательным), если производительность установки продолжает увеличиваться (или уменьшаться). В этом примере модель ВОК ASM имеет положительный знак растения.
Синусоидальные амплитуды (Sine Amplitudes) - определяет амплитуды введенных синусоидальных волн. В этом примере выберите 0.25 для контроллеров внутреннего контура и 0.01 контроллеры внешнего контура обеспечивают надлежащее возбуждение установки в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения либо слишком велика, либо слишком мала, это приведет к неточным результатам оценки частотной характеристики.
Поскольку блок автозапуска PID с замкнутым контуром настраивает только один контроллер PI за один раз, эти четыре контроллера должны быть настроены отдельно в модели FLOC ASM. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллеры внешнего контура.
Контроллер тока по оси d настроен в диапазоне от 3,5 до 3,55 с.
Контроллер тока по оси q настроен в диапазоне от 3,6 до 3,65 с.
Регулятор потока настраивается между 3,7 и 4,7 с.
Контроллер скорости настроен между 4,8 и 5,8 с.
После настройки каждого PI-контроллера усиления контроллера обновляются через блок памяти хранилища данных.
В этом примере модель FLOC ASM построена в Simulink. Все четыре контроллера настроены на одно моделирование. Кроме того, характеристики скорости сравниваются до и после настройки контроллеров. Испытываемые сценарии включают в себя процесс ускорения и изменения нагрузки крутящим моментом (величина 1 фунт/кв.дюйм).
Моделирование модели FLOC ASM обычно занимает несколько минут на компьютере из-за небольшого времени выборки контроллера силовой электроники двигателя.
sim(mdl) logsout_autotuned = logsout; save('AutotunedSpeed','logsout_autotuned');
На следующем рисунке показан общий результат моделирования.
Серая область на предыдущем рисунке показывает текущие и скоростные отклики во время настройки, от 3,5 до 5,8 секунд. Изменения тока и частоты вращения двигателя очень малы. Частота вращения двигателя достигает номинальной 1600 об/мин до начала процесса автотунтирования.
Четыре контроллера PI настроены на новые коэффициенты усиления.
Контроллер PI скорости имеет коэффициенты усиления P = 158,8 и I = 2110.
Регулятор PI потока имеет коэффициенты усиления P = 129,3 и I = 1732.
ПИ-контроллер d-оси имеет коэффициенты усиления P = 1,611 и I = 627,6.
Q-осевой PI контроллер имеет коэффициенты усиления P = 2,029 и I = 829,9.
Одни и те же эталонные значения частоты вращения ротора и нагрузки на крутящий момент применяются до и после процесса автотренирования. Постройте график ошибок частоты вращения ротора относительно номинальной 1600 об/мин до и после настройки контроллеров с помощью блока автоматического запуска PID с замкнутым контуром. Кривые ошибок скорости выравниваются во времени для сравнения рабочих характеристик контроллера бок о бок.
scdfocasmPIDTuningPlotSpeed
После настройки контроллеров реакция асинхронного двигателя на скорость имеет более быструю реакцию переходного процесса и меньшую ошибку установившегося состояния во время ускорения и при изменении нагрузки крутящим моментом.
bdclose(mdl)
Автоматический запуск PID с замкнутым контуром