Проект ПИД-регулятора с использованием моделируемых данных ввода-вывода
Этот пример показов, как настроить ПИД-регулятор для растений, которые не могут быть линеаризированы. Вы используете PID Tuner, чтобы идентифицировать объект для вашей модели. Затем настройте ПИД-регулятор с помощью идентифицированного объекта.
Этот пример использует модель понижающего конвертера, которая требует Simscape™ Electrical™ программного обеспечения.
Модель понижающего конвертера
Понижающие конвертеры преобразуют DC в DC. Эта модель использует источник степени для преобразования 30V источника постоянного тока в регулируемый источник постоянного тока. Преобразователь моделируется с помощью MOSFET, а не идеальных переключателей, чтобы убедиться, что сопротивление на устройстве правильно представлено. Реакция преобразователя от опорного напряжения к измеренному напряжению включает в себя переключатели MOSFET. ПИД конструкция требует линейной модели системы от ссылки напряжения до измеренного напряжения. Однако из-за коммутаторов автоматическая линеаризация приводит к нулевой системе. В этом примере, используя PID Tuner, вы идентифицируете линейную модель системы, используя симуляцию вместо линеаризации.
Для получения дополнительной информации о создании модели понижающего конвертера см. Понижающий конвертер (Simscape Electrical).
open_system('scdbuckconverter') sim('scdbuckconverter')
Модель сконфигурирована с ссылкой напряжением, которое переключается от 15 до 25 В на 0,004 секунде и током нагрузки, который активен от 0,0025 до 0,005 секунд. Контроллер инициализируется с коэффициентами усиления и результатов по умолчанию в перерегулировании и медленном времени урегулирования.
open_system('scdbuckconverter/Scope 1') open_system('scdbuckconverter/Scope 2')
Симулируйте модель, чтобы сгенерировать данные ввода-вывода
Чтобы открыть PID Tuner, в подсистеме контроллера обратной связи откройте диалоговое окно ПИД-регулятора блока и нажатия кнопки Tune. PID Tuner указывает, что модель не может быть линеаризирована и возвращена нулевая система.
PID Tuner предоставляет несколько альтернативных вариантов, когда линеаризация прекращается. В раскрывающемся списке Объекте (Plant) можно выбрать один из следующих методов:
Импорт - Импорт линейной модели из рабочего пространства MATLAB.
Релинеаризация замкнутого цикла - линеаризация модели в разное время моментального снимка симуляции.
Идентифицируйте новый объект - идентифицируйте модель объекта управления с помощью измеренных данных.
В данном примере щелкните Идентификация нового объекта (Identify New Plant), чтобы открыть инструмент идентификации объекта (Plant Identification). Для идентификации объекта необходимо задать конечное значение для времени остановки модели Simulink.
Чтобы открыть инструмент, который моделирует модель для сбора данных для идентификации объекта, на вкладке «Идентификация объекта» нажатия кнопки «Получить ввод-вывод данные» > «Моделировать данные».
На вкладке Simulate I/O Data моделируется объект, наблюдаемый контроллером. Программное обеспечение временно:
Удаляет блок ПИД-регулятор из модели.
Вводит сигнал, где выход блока ПИД был.
Измеряет полученный сигнал, где использовался вход в блок ПИД.
Эти данные описывают реакцию объекта, наблюдаемую контроллером. Этот PID Tuner использует эти данные отклика для оценки линейной модели объекта управления.
Сконфигурируйте входной сигнал как шаговый вход со следующими свойствами:
Шаг расчета
() = 5e-6 - Частота выборки контроллера.Offset
() = 0.51 - Выход смещения, которое помещает преобразователь в состояние, где выходное напряжение близко к 15V и задает рабочую точку, вокруг которой можно настроить контроллер.Время начала
() = 0,003 - Задержка, чтобы обеспечить достаточное время для достижения конвертером 15V устойчивого состояния перед применением изменения шага.Амплитуда шага
() = 0.4 - Размер шага контроллер выхода (вход объекта) для применения к модели. Это значение добавляется к значению смещения таким образом, чтобы фактический вход объекта шел от 0,51 до 0,91. Значение контроллер выхода (вход объекта) ограничено областью значений [0,01 0,95].
Выберите Show Input Response, Show Offset Response и Show Identification Data. Затем щелкните по Запуску Симуляции. График идентификации объекта обновляется.
Красная кривая является откликом смещения. Отклик смещения является ответом объекта на постоянный вход. Ответ показывает, что модель имеет некоторые переходные процессы с постоянным входом, в частности:
Вторая область значений [0 0,001], где конвертер достигает 15V устойчивого состояния. Напомним, что этот сигнал является сигналом ошибки управления и, следовательно, падает до нуля по мере достижения устойчивого состояния.
Вторая область значений [0,0025 0,004], где преобразователь реагирует на приложенную токовую нагрузку, в то время как опорное напряжение поддерживается на 15V.
Вторая точка 0,004, где ссылка напряжения изменяется с 15V на 25V, что приводит к большему сигналу ошибки управления.
Вторая область значений [0,005 0,006], где конвертер реагирует на снимаемую токовую нагрузку.
Синяя кривая показывает полную характеристику объекта, которая содержит вклады от начальных переходных процессов (значительно в течение времени < 0,001 секунды), ответ на циклическую нагрузку тока (длительности времени от 0,0025 до 0,005 секунд), ссылку напряжения (на 0,004 секунды) и ответ на сигнал шагового тестирования (приложенный в момент времени 0,003 секунды). Напротив, красная кривая является ответом только на начальные переходные процессы, ссылку напряжения и циклическую токовую нагрузку.
Зеленая кривая - это данные, которые будут использоваться для идентификации объекта. Эта кривая является изменением отклика из-за шагового теста, который является различием между синей (входная характеристика) и красной (смещенная характеристика) кривыми с учетом отрицательного знака обратной связи.
Чтобы использовать измеренные данные для идентификации модели объекта управления, нажмите кнопку Применить (Apply). Затем для возврата к идентификатору объекта нажмите кнопку Закрыть.
Идентификация объекта
PID Tuner идентифицирует модель объекта управления с помощью данных, сгенерированных путем симуляции модели. Вы настраиваете идентифицированные параметры объекта управления так, чтобы идентифицированный ответ объекта управления, при условии, что измеренный вход совпадал с измеренным выходом.
Можно вручную настроить предполагаемую модель. Щелкните и перетащите кривую объекта управления и положение шеста (X), чтобы настроить идентифицированную реакцию объекта управления так, чтобы она максимально соответствовала идентификационным данным.
Чтобы настроить идентифицированный объект с помощью автоматической идентификации, щелкните Автоматическая оценка (Auto Estimate). Автоматическая реакция настройки не намного лучше, чем интерактивная настройка. Идентифицированные объект и идентификационные данные плохо совпадают. Измените структуру объекта, чтобы получить лучшее соответствие.
В раскрывающемся списке Структура (Structure) выберите Недостаточно демпфированная пара (Underdamped pair).
Щелкните и перетащите огибающую 2-го порядка, чтобы максимально точно соответствовать идентифицированным данным (почти критически демпфированным).
Щелкните Автоматическая оценка (Auto Estimate), чтобы точно настроить модель объекта управления.
Чтобы назначить идентифицированную модель текущим объектом настройки контроллера, нажмите Применить. Затем PID Tuner автоматически настраивает контроллер для идентифицированного объекта и обновляет график шага отслеживания уставки.
Настройка контроллера
Этот PID Tuner автоматически настраивает ПИД-регулятор для идентифицированного объекта. Настроенный ответ контроллера имеет около 5% перерегулирования и время урегулирования около 6 секунд. Щелкните на Отслеживание уставки шаге графика, чтобы сделать его текущей фигурой.
Этот контроллер выход является коэффициентом заполнения для системы ШИМ и должен быть ограничен [0,01 0,95]. Чтобы подтвердить, что контроллер выход удовлетворяет этим границам, создайте график усилия контроллера. На вкладке PID Tuner, в раскрывающемся списке Add Plot, в разделе Step, нажмите Controller effect. Переместите созданный график усилий Контроллера во вторую группу графиков.
На графике усилий Контроллера настроенная характеристика (сплошная линия) показывает большие усилия по управлению, необходимые в начале симуляции. Чтобы достичь времени урегулирования около 4 секунд и перерегулирования 9%, настройте ползунки «Время отклика» и «Переходное поведение». Эти регулировки уменьшают максимальное усилие управления до приемлемой области значений.
Чтобы обновить блок Simulink с помощью настроенных значений контроллера, нажмите Update Block.
Чтобы подтвердить ПИД-регулятор эффективности, симулируйте модель Simulink.
bdclose('scdbuckconverter')