В этом примере показано, как использовать блок автоматического управления PID с замкнутым контуром для настройки полевого управления для синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) только в одном моделировании.
В этом примере ориентированное на поле управление (ВОК) для синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) моделируется в Simulink ® с использованием компонентов Simscape™ Electrical™.
mdl = 'scdfocmotorPIDTuning';
open_system(mdl)
Ориентированное на поле управление (ВОК) управляет токами 3-фазного 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 Controller_Algorithm.
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 Controller_Algorithm содержит все три контроллера PI. ПИ-регулятор внешнего контура регулирует скорость двигателя. Два ПИ-контроллера внутреннего контура управляют токами d-оси и q-оси по отдельности. Команда от контроллера PI внешнего контура подается непосредственно на ось q для управления крутящим моментом. Команда для оси d равна нулю для PMSM, поскольку поток ротора фиксируется постоянным магнитом для этого типа электродвигателя переменного тока.
Существующий контроллер PI скорости имеет коэффициенты усиления P = 0,08655 и I = 0,1997. Оба текущих ПИ-контроллера имеют коэффициенты усиления P = 1 и I = 200.
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 ВОК PMSM для каждого из трех контроллеров PI может использоваться блок автоотюнера 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 будет отклонен существующим контроллером для обеспечения безопасной работы.
Существующий контроллер будет поддерживать 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 установки в реальном времени минимизируйте возникновение любого нарушения в модели ВОК PMSM 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 трех контроллеров PI, как показано в модели ВОК PMSM. 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.
Для просмотра измененной структуры управления внешним контуром откройте подсистему Controller_Algorithm.
controlSubsystem = [mdl '/Controller_Algorithm'];
open_system(controlSubsystem)
Просмотр измененного контроллера тока d-оси. Модифицированный контроллер q-оси имеет идентичную структуру.
open_system([controlSubsystem '/DQ_Current_Control/D_Current_Control'])
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 рад/сек для текущего управления и 100 рад/сек для управления скоростью.
Целевой запас фазы - определяет, насколько надежным должен быть контроллер. В этом примере выберите 70 степени для управления током и 90 степень регулирования скорости.
На вкладке Эксперимент (Experiment) имеются три основные настройки эксперимента:
Тип растения - указывает, является ли растение асимптотически стабильным или интегрированным. В этом примере модель ВОК PMSM 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 PMSM имеет положительный знак растения.
Синусоидальные амплитуды (Sine Amplitudes) - определяет амплитуды введенных синусоидальных волн. В этом примере выберите 0.25 для текущих контроллеров и 0.01 для регулятора скорости для обеспечения надлежащего возбуждения 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 три контроллера должны быть настроены отдельно в модели ВОК PMSM. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллер внешнего контура.
Контроллер тока по оси d настроен в диапазоне от 1,3 до 1,35 с.
Контроллер тока по оси q настроен в диапазоне от 1,4 до 1,45 с.
Контроллер скорости настроен между 1,5 и 3,5 с.
После настройки каждого PI-контроллера усиления контроллера обновляются через блок памяти хранилища данных.
В этом примере модель ВОК PMSM построена в Simulink. Все три контроллера настроены на одно моделирование. Кроме того, отклики сравниваются между откликами скорости до и после настройки контроллеров.
Моделирование модели ВОК PMSM 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.
На следующем рисунке показаны текущие и скоростные отклики во время настройки, от 1,3 до 3,5 секунд. Изменение тока в пределах 0.1 А и изменение частоты вращения двигателя в пределах 2 рад/сек (около 1% отклонения).
Три контроллера PI настроены на новые коэффициенты усиления.
Контроллер PI скорости имеет коэффициенты усиления P = 0,2785 и I = 2,678.
ПИ-контроллер тока d-оси имеет коэффициенты усиления P = 5,135 и I = 8663.
PI-контроллер тока q-оси имеет коэффициенты усиления P = 4,59 и I = 8026.
Одни и те же команды скорости применяются до и после процесса автоматического запуска. Постройте график откликов на скорость до и после настройки контроллеров с помощью блока автоотюнера PID с замкнутым контуром. Кривые отклика на скорость выравниваются во времени для сравнения рабочих характеристик контроллера бок о бок.
scdfocmotorPIDTuningPlotSpeed
После настройки контроллеров отклик на скорость двигателя переменного тока имеет более быстрый переходный отклик и меньшую ошибку установившегося состояния.
bdclose(mdl)
Автоматический запуск PID с замкнутым контуром