Этот пример показывает один из нескольких способов настройки ПИД-регулятора для растений, которые не могут быть линеаризированы. В этом примере вы используете PID Tuner Frequency Response Based, чтобы автоматически охарактеризовать частотную характеристику понижающего конвертера вокруг полосы пропускания управления, и затем настройте ПИД-регулятор.
Понижающие конвертеры преобразуют DC в DC. Модель в этом примере 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. Традиционный ПИД проекта требует линейной модели системы от «ссылки напряжения» (контроллер выхода) до измеренного напряжения. Однако здесь из-за коммутаторов автоматическая линеаризация приводит к нулевой системе. Когда модель линеаризируется до нуля, доступно несколько альтернатив:
Перелинеаризируйте систему. Линеаризация модели в другой рабочей точке или во времени моментального снимка симуляции.
Идентифицируйте новый объект. Используйте измеренные или моделируемые данные для идентификации модели объекта управления (требует программного обеспечения System Identification Toolbox).
Настройка на основе частотной характеристики. Используйте моделируемые данные, чтобы получить частотную характеристику для объекта.
В данном примере используйте PID Tuner Frequency Response Based, чтобы оценить частотные характеристики системы и настроить ПИД-регулятор. Для примера, который использует систему идентификации для идентификации модели объекта управления, смотрите Проект ПИД-регулятора Использование моделируемых вводов-выводов данных.
Для получения дополнительной информации о создании модели понижающего конвертера см. Понижающий конвертер (Simscape Electrical).
open_system('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. Симуляция модели показывает недостаточно демпфированный и медленный характер отклика системы.
sim('scdbuckconverter') open_system('scdbuckconverter/Scope 1') open_system('scdbuckconverter/Scope 2')
В данном примере улучшите полосу пропускания и запас по фазе системы, чтобы достичь лучшей эффективности путем характеристики системы с помощью оценки частотной характеристики и настройки коэффициентов ПИД. При настройке ПИД-регулятора обратите внимание на следующие характеристики системы понижающий конвертер:
Нет системного процесса или шума датчика
Вход контроллера - это сигнал PWM
Сигнал PWM ограничен (насыщен), чтобы быть между 0 и 1
Номинальный выход контроллера в установившемся состоянии 0,5
Для понижающего конвертера систем желательно иметь систему с низким временем нарастания и низким перерегулированием. В данном примере настройте контроллер, чтобы достичь желаемого времени нарастания 250e-6 секунд и перерегулирования менее 10%.
Откройте подсистему контроллера обратной связи, а затем откройте диалоговое окно блока ПИД-регулятор. В разделе Select Tuning Method выберите Частотная Характеристика Based и нажмите Tune. Откроется PID Tuner Frequency Response Based для контроллера понижающего конвертера.
Основанный на частотной характеристики PID Tuner автоматически настраивает ПИД-регулятор для объекта с помощью двух симуляций. Первая симуляция генерирует базовую характеристику. Вторая симуляция разрывает цикл на входе объекта и возмущает объект сигналами синуса и шага. Тюнер принимает различие между двумя симулированными откликами, что удаляет эффект любых нарушений порядка в модели. Затем тюнер использует полученные данные, чтобы оценить частотную характеристику объекта. Наконец, он использует предполагаемую частотную характеристику для вычисления коэффициентов ПИД.
Когда вы открываете PID Tuner Frequency Response Based, он считывает параметры из блока ПИД-регулятора, чтобы определить структуру вашего ПИД-регулятора. Эти параметры включают:
Тип ПИД-регулятора (P, I, PI, ПИД и т.д.)
Форма ПИД-регулятора (параллельный, идеальный)
Метод интегратора, если применимо (Forward Euler, Trapezoidal и т.д.)
Метод производного фильтра, если применимо (Forward Euler, Trapezoidal etc.)
Шаг расчета, если применимо
Перед настройкой задайте параметры эксперимента, который выполняет тюнер, чтобы оценить частотную характеристику объекта.
Время запуска - это время, в секундах, в которое тюнер начинает подавать сигналы возмущения на объект. Выберите время запуска объекта управления в номинальной рабочей точке, которую требуется использовать для настройки. В данном примере понижающий конвертер имеет начальный переходный процесс, который падает на 0,002 секунды. Поэтому введите значение 0.002 для параметра Start Time.
Задайте длительность эксперимента по возмущению. Консервативная оценка длительности эксперимента разделена на 100 на целевую полосу пропускания. Целевая пропускная способность приблизительно 2/τ, где τ - желаемое время нарастания. В данном примере желаемое время нарастания составляет 250e-6 секунд, что приводит к целевой полосе пропускания 8000 радиан в секунду. В этом примере консервативная оценка длительности будет составлять 100/8000 или 0,0125 секунд. Выберите для длительности» значение 0.0125 секунд.
Во время эксперимента тюнер вводит синусоидальные сигналы в объект на четырех частотах [1/3, 1, 3, 10], 
где является целевой полосой пропускания, которую вы задаете для настройки. Задайте амплитуды вводимых синусоид в поле Sine Amplitudes.
Выберите амплитуды, которые имеют величины выше уровня шума в системе и не будут насыщать систему. В данном примере нет шума в системе, который нужно учитывать. Однако контроллер выход (коэффициент заполнения ШИМ) ограничивается [0 1], и номинальный выход контроллера в установившемся состоянии равен 0,5. Чтобы оставаться в этих пределах, задайте амплитуду синуса 0,1. Установка скалярного значения использует ту же амплитуду на всех четырех частотах.
Для асимптотически стабильного объекта тюнер также вводит сигнал шага, чтобы оценить коэффициент усиления объекта постоянного тока. Выберите амплитуду для этого шагового сигнала на основе тех же факторов, которые вы использовали для выбора синусоидальных амплитуд. В данном примере также введите 0,1 в поле Step Amplitude.
Наконец, укажите целевую полосу пропускания для настройки. Как отмечалось ранее, целевая полоса пропускания составляет 8000 радиан в секунду. Введите 8000 в поле Bandwidth. Целевой запас по умолчанию по запасу по фазе, 60 степени, соответствует перерегулированию около 10% или лучше.
Нажмите Tune, чтобы начать две симуляции понижающего конвертера и настроить ПИД-регулятор.
По завершении процедуры настройки настраиваемые коэффициенты усиления, расчетный запас по фазе и номинальный вход объекта отображаются в диалоговом окне Frequency Response Based PID Tuner в разделе Tuning Results. Проверьте предполагаемый запас по фазе, чтобы убедиться, что он близок к запасу по фазе Target.
Чтобы проверить результаты, моделируйте модель с помощью настроенных коэффициентов ПИД. Для этого обновите коэффициент усиления в блоке ПИД-регулятор. Нажмите Update PID Block, чтобы записать настроенные усиления в блок ПИД-регулятор. Затем симулируйте модель, чтобы подтвердить ПИД-регулятор эффективности.
bdclose('scdbuckconverter')