Модель линейного электрического Привода

Откройте модель Simulink линейного электрического привода:

open_system('rct_linact')

Электрические и механические компоненты моделируются с помощью Simscape Electrical и Simscape Multibody. Система управления состоит из двух каскадных циклов обратной связи, управляющих ведущим током и угловой скоростью двигателя постоянного тока.

Фигура 1: Ток и Скорость Контроллеров.

Обратите внимание, что контроллер с внутренним контуром (током) является пропорциональной составляющей, в то время как контроллер с внешним контуром (скоростью) имеет пропорциональные и интегральные действия. Выход обоих контроллеров ограничен плюс/минус 5.

Спецификации к проекту

Нам нужно настроить пропорциональные и интегральные составляющие, чтобы ответить на спрос скорости 2000 об/мин примерно за 0,1 секунды с минимальным перерегулированием. Начальные настройки усиления в модели являются P = 50 и PI (s) = 0,2 + 0 .1/s, и соответствующий ответ показан на Фигуру 2. Этот ответ слишком медлен и слишком чувствителен к нарушениям порядка нагрузки.

Фигура 2: Untuned Response.

Настройка системы управления

Можно использовать Control System Tuner, чтобы совместно настроить оба циклов обратной связи. Сначала откройте Control System Tuner с вкладки Apps.

Фигура 3: Открытие Control System Tuner.

Это открывает Control System Tuner.

Фигура 4: Control System Tuner.

Вы линеаризируете модель при t = 0,5, чтобы избежать разрывов в некоторых производных при t = 0. Можно задать рабочую точку в Linearize At....

Фигура 5: Установка рабочей точки для линеаризации.

Установите время моментального снимка линеаризации на t = 0,5.

Фигура 6: Установка времени моментального снимка линеаризации.

В порядок установки настроенных блоков системы управления откройте Select Blocks от Tuning вкладка.

Фигура 7: Вкладка настройки Control System Tuner.

Это показывает редактор настроенных блоков, где можно Add Blocks.

Фигура 8: Редактор настроенных блоков.

Установите настроенные блоки Current PID и Speed PID путем навигации по дереву слева.

Фигура 9: Выбор настроенных Current PID блоков.

Фигура 10: Выбор настроенных Speed PID блоков.

Выбранные настроенные блоки Current PID и Speed PID показать в редакторе для настроенных блоков.

Фигура 11: Редактор, обновленный выбранными настроенными блоками.

Они также появляются в Tuned Blocks раздел Data Browser в левой части Control System Tuner.

Фигура 12: Обновленные настроенные блоки в Control System Tuner.

Далее укажите цель отслеживания, чтобы двигатель постоянного тока следовал требованию скорости 2000 об/мин за 0,1 секунды. Смотрите различные типы целей под New Goal и выберите Reference Tracking.

Фигура 13: Доступные цели для выбора в Control System Tuner.

Назовите цель отслеживания следующим TR, задайте цель отслеживания из входных ссылок rct_linact/Speed Demand(rpm)/1 к выходу отслеживания уставки rct_linact/Hall Effect Sensor/1[rpm] со временем отклика 0,1 секунды.

Фигура 14: Диалоговое окно отслеживания уставки в Control System Tuner.

График для заданной цели отслеживания появляется в Control System Tuner и Tuning Goals обновляется раздел Диспетчера данных на левой оси.

Фигура 15: Отслеживать цель настройки в Control System Tuner.

Теперь можно настроить пропорциональные и интегральные составляющие с помощью Control System Tuner от нажатия Tune кнопка. График для отслеживания цели обновлен

Фигура 16: Обновленный график отслеживания цели с настроенными блоками в Control System Tuner.

Настроенные блоки обновляются с помощью настроенных значений усиления. Чтобы подтвердить этот проект, постройте график отклика замкнутой системы от требования скорости до скорости от New Plot от Control System Вкладка.

Фигура 17: Новый график в Control System Tuner.

Задайте ответ с обратной связью от требования скорости до скорости диалоговым окном шага построения графика.

Фигура 18: Диалоговое окно График в Control System Tuner.

Вы видите график шага отклика в Control System Tuner.

Фигура 19: График шага в Control System Tuner.

Реакция выглядит хорошо в линейной области, поэтому сначала сохраните текущий проект, нажав Store и переместить настроенные значения усиления в Simulink, нажав Update Blocks и далее проверьте проект в нелинейной модели.

Фигура 20: Сохраненные значения настроенных блоков в Control System Tuner.

Нелинейные результаты симуляции появляются в Фигуру 21. Нелинейное поведение намного хуже, чем линейное приближение, расхождение, которое можно проследить до насыщения во внутреннем цикле (см. фигура).

Фигура 21: Нелинейная симуляция настроенного контроллера.

Фигура 22: Выход токового контроллера (ограничен плюс/минус 5).

Предотвращение насыщения

Пока мы только задали желаемое время отклика для внешнего (скоростного) цикла. Это оставляет systune свободно распределять усилие управления между внутренним и внешним контурами. Насыщенность во внутреннем цикле предполагает, что пропорциональная составляющая слишком высок и что необходима некоторая ребалансировка. Одним из возможных средств устранения является явное ограничение усиления от команды speed выходами P и ПИ-контроллеров. Для опорной скорости 2000 об/мин и пределов насыщения плюс/минус 5, средний коэффициент усиления не должен превышать 5/2000 = 0,0025. Чтобы быть консервативным, мы можем попытаться сохранить коэффициент усиления от ссылки на скорость к контроллер выходам ниже 0,001. Для этого добавьте два требования к усилению и восстановите коэффициент усиления контроллера при наличии всех трех требований.

Ограничьте коэффициент усиления от спроса на скорость до сигналов управления, чтобы избежать насыщения путем определения двух новых целей на вкладке Tuning. Вы должны выбрать сигналы управления из модели Simulink, поскольку они не определены ранее.

Фигура 23: Диалоговое окно цели усиления от требования скорости до управления сигналом ПИД скорости.

Фигура 24: Диалоговое окно цели усиления от требования скорости до сигнала управления текущим ПИД.

Новые цели усиления появляются в разделе «Цели настройки» Control System Tuner.

Фигура 25: Две цели усиления добавлены к Control System Tuner.

Выполните повторную настройку с учетом этих дополнительных требований. Отчет о настройке, доступный в правом нижнем углу инструмента, показывает наихудший коэффициент усиления 1.39, указывающий, что требования почти, но не удовлетворены (все требования выполняются, когда конечный коэффициент усиления меньше 1).

Фигура 26: Отчет о настройке после повторной настройки.

Далее сравните два проекта в линейной области, нажав Compare в Control System вкладка.

Фигура 27. Сравнение двух проектов.

Второй проект менее агрессивна, но все еще соответствует требованию времени отклика.

Фигура 28: Переходные характеристики двух проектов.

Наконец, передвиньте новые настроенные значения усиления к модели Simulink по Update Blocks и моделируйте ответ на 2000 об/мин уставки по скорости и 500 Н нарушения порядка нагрузки. Результаты симуляции показаны на фигуре 29, и выход токового контроллера показан на фигуре 30.

Фигура 29: Нелинейная реакция настройки с ограничениями усиления.

Фигура 30: Выход токового контроллера.

Нелинейные отклики теперь удовлетворительны, и текущий цикл больше не насыщается. Дополнительные ограничения по усилению привели к systune повторно распределить усилие управления между внутренним и внешним контурами так, чтобы избежать насыщения.