В этом примере показано, как использовать блок автоматической настройки PID с замкнутым контуром для настройки PID-контроллера для установки повышающего преобразователя как в режиме моделирования, так и в режиме реального времени.
Блок Autotuner PID с замкнутым контуром позволяет настраивать одноконтурный PID-контроллер как в режиме моделирования, так и в режиме реального времени. Блок 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 вблизи требуемой полосы пропускания.
Блок автоматической настройки PID с замкнутым контуром поддерживает два типичных сценария настройки PID в приложениях реального времени.
Развертывание блока на оборудовании и его использование в автономном приложении реального времени без присутствия Simulink.
Развертывание блока на оборудовании, но мониторинг и управление процессом настройки в реальном времени в Simulink с использованием режима внешнего моделирования. Внешний режим позволяет осуществлять связь между блок-схемой Simulink, выполняемой на хост-компьютере, и генерируемым кодом, выполняемым на оборудовании.
В этом примере рассматривается первый сценарий развертывания блока для выполнения настройки в реальном времени.
Программное обеспечение Simulink Control Design™ также предоставляет блок автозапуска PID с открытым контуром для настройки PID в реальном времени. Основное различие между двумя блоками автотюнера заключается в том, что блок PID Autotuner с разомкнутым контуром обратной связи выполняет эксперимент с разомкнутым контуром обратной связи (то есть существующий контроллер не работает). Чтобы решить, какой блок autotuner лучше всего подходит для вашего приложения, рассмотрите следующие моменты
Если у вас нет начального контроллера, используйте блок автоотюнера PID с разомкнутым контуром для его получения. Его можно использовать для перенастройки контроллера или замены его блоком автозапуска PID с замкнутым контуром.
Если у вас есть начальный контроллер, используйте блок автоматического запуска PID с замкнутым контуром для повторного запуска. Основные преимущества заключаются в следующем: (1) если во время эксперимента возникают непредвиденные нарушения, он отклоняется существующим контроллером для обеспечения безопасной работы; (2) существующий контроллер поддерживает работу установки вблизи ее номинальной рабочей точки, подавляя также сигналы возмущения.
В этом примере повышающий преобразователь в режиме напряжения моделируется в Simulink ® с использованием компонентов Simscape™ Electrical™. Параметры этих компонентов основаны на [1].
mdl = 'scdboostconverterPIDTuningMod';
open_system(mdl)
Схема повышающего преобразователя преобразует напряжение постоянного тока в другое, обычно более высокое, напряжение постоянного тока посредством управляемого измельчения или переключения напряжения источника. В этой модели для переключения используется МОП-транзистор, управляемый сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Цифровой PID-контроллер регулирует рабочий цикл ШИМ для поддержания напряжения нагрузки
на его опорном уровне.
В номинальной рабочей точке напряжение нагрузки составляет 18 вольт, а рабочий цикл составляет около 0,74. Рабочий цикл может изменяться от 0,1 до 0,85 при работе повышающего преобразователя.
Существующий ПИД-контроллер имеет коэффициенты усиления P = 0,02, I = 160, D = 0,00005 и N = 20000. Эти коэффициенты усиления сохраняются в блоке памяти хранилища данных и подаются извне в блок контроллера PID. Наличие внешних входных портов усиления позволяет изменять значения после вычисления новых коэффициентов усиления блоком автозапуска PID с замкнутым контуром.
Вставьте блок автоматического запуска PID с замкнутым контуром между блоком контроллера PID и установкой, как показано в модели повышающего преобразователя. Сигнал запуска/останова запускается и останавливает эксперимент с замкнутым контуром. Когда эксперимент не выполняется, блок автозапуска PID с замкнутым контуром ведет себя как блок единичного усиления, где u сигнал проходит непосредственно в u+Δu.
При использовании блока Autotuner PID с замкнутым контуром в приложениях моделирования или в реальном времени необходимо учитывать следующие моменты.
Растение должно быть либо асимптотически устойчивым (все полюса строго устойчивы), 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 нагрузки в установке во время эксперимента. Блок автотюнера ожидает, что выход установки будет ответом только на вводимые сигналы возмущения, и возмущения нагрузки искажают этот выход.
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.
После правильного соединения блока автомата PID с замкнутым контуром с моделью установки и блоком контроллера PID используйте параметры блока для задания настроек настройки и эксперимента.
На вкладке Настройка имеются два основных параметра настройки.
Целевая полоса пропускания: Определяет скорость ответа контроллера. В этом примере выберите 10000 рад/сек, что является типичным для повышающего преобразователя.
Целевое поле фазы: Определяет, насколько надежным должен быть контроллер. В этом примере выберите значение по умолчанию 60 степени.
На вкладке Эксперимент (Experiment) имеются три основные настройки эксперимента.
Тип растения: указывает, является ли растение асимптотически стабильным или интегрированным. В этом примере повышающая преобразовательная установка 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 растение интегрируется, знак растения является положительным или отрицательным, если производительность растения продолжает увеличиваться или уменьшаться, соответственно. В этом примере повышающая преобразовательная установка имеет положительный знак установки.
Синусоидальные амплитуды: определяет амплитуды инжектируемых синусоидальных волн. В этом примере выберите 0.03 для всех пяти частот сигнала возмущения для обеспечения надлежащего возбуждения установки в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения слишком велика, повышающий преобразователь работает в режиме прерывистого тока. Если входная амплитуда слишком мала, синусоидальные сигналы неотличимы от пульсаций в цепях силовой электроники. Обе ситуации дают неточные результаты оценки частотной характеристики.
При наличии модели завода, построенной в Simulink, рекомендуется моделировать блок автоотюнера PID с замкнутым контуром по отношению к модели завода в обычном режиме перед его развертыванием для настройки в реальном времени. Моделирование помогает выявить проблемы с сигнальными соединениями и настройками блоков, чтобы настроить их перед созданием кода.
Моделирование установки бустерного преобразователя обычно занимает несколько минут из-за быстрого времени выборки генератора ШИМ. Vout - производительность установки и Duty Cycle является вводом завода.
sim(mdl)
В этом примере контроллер PID получает сведения о 0.04 секунд, чтобы довести повышающий преобразователь до номинальной рабочей точки 18 вольт. Начальный переходный процесс содержит сильные колебания, что указывает на необходимость повторного запуска существующего контроллера.
В 0.04 секунд, начинается процесс автоматического запуска. Эксперимент длится 0.02 секунд, поскольку количество секунд, необходимое для сходимости оценки частотной характеристики в режиме реального времени, составляет около 200, деленное на полосу пропускания.
Для другой номинальной рабочей точки может потребоваться более длительное время, чтобы повышающий преобразователь достиг опорного напряжения. Необходимо изменить сигнал времени запуска/остановки таким образом, чтобы процесс автоматического запуска всегда начинался с номинальной рабочей точки.
При остановке настройки PID на 0.06 в секундах блок вычисляет новые коэффициенты усиления, P = 0,04, I = 100, D = 0,00006 и N = 30000. Новые коэффициенты усиления немедленно записываются в память хранилища данных и посылаются во внешние входные порты усиления блока контроллера PID, который перезаписывает исходные коэффициенты усиления.
Модель имеет линейное возмущение (Vin от 5V до 10V) и токовое возмущение нагрузки (Load от 6A до 3A), которые возникают через 0,07 и 0,08 секунды соответственно. Эти нарушения можно использовать для проверки производительности контроллера. Новый набор коэффициентов усиления PID обеспечивает улучшенную обратную реакцию с гораздо меньшим колебанием.
Чтобы настроить PID-контроллер на физический повышающий преобразователь в автономном приложении реального времени, необходимо сгенерировать код C/C + + из блока Autotuner PID с замкнутым контуром и развернуть его на своем оборудовании.
Во время выполнения можно изменить следующие настраиваемые параметры.
Тип контроллера PID
Форма контроллера МТС
Интегратор МТС и методы фильтрации (только дискретное время)
Целевая полоса пропускания
Целевой запас фазы
Тип завода
Знак растения
Амплитуды синусоидальных волн
Время выборки блока Autotuner PID замкнутого цикла не является настраиваемым параметром. Чтобы использовать блок autotuner с другим временем выборки без повторной компиляции модели, задайте для параметра Controller sample time блока значение -1 и поместите блок автотюнера в запускаемую подсистему. При этом запускается автотунер во время выборки запускаемой подсистемы.
close_system(mdl,0)
[1] Ли, С. В. «Практический анализ контура обратной связи для повышающего преобразователя в режиме напряжения». Номер отчета по приложению SLVA633. Техасские инструменты. Январь 2014 года. www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf
Автоматический запуск PID с замкнутым контуром