Этот пример показывает, как идентифицировать модель частотного диапазона, используя псевдослучайную двоичную последовательность (PRBS) для энергосистемы, смоделированной в Simulink ®, используя Simscape™ Electrical™ компоненты. Этот пример относится к процессу оценки частотной характеристики в рабочем процессе проектирования контроллера, используя PRBS в качестве входного сигнала.
Обычно системы силовой электроники не могут быть линеаризированы, потому что они используют высокочастотные компоненты переключения, такие как генераторы модуляции ширины импульса (PWM). Однако большинство инструментов Simulink Control Design™ PID-настройки проектируют коэффициенты ПИД на основе линеаризированной модели объекта управления. Чтобы получить такую модель для модели силовой электроники, которая не может быть линеаризирована, можно оценить частотную характеристику объекта в области значений частот, как показано в этом примере.
Чтобы собрать данные частотной характеристики, можно:
Оцените частотную характеристику объекта в командной строке.
Оцените частотную характеристику объекта с помощью приложения Model Linearizer.
Этот пример показывает, как оценить частотную характеристику объекта в Model Linearizer. Чтобы узнать, как оценить частотную характеристику объекта для степени электронной системы в командной строке с помощью входного сигнала PRBS, смотрите Оценку частотной характеристики для Степени электронной модели с использованием псевдослучайного двоичного сигнала.
Этот пример использует модель усилителя конвертера как систему силовой электроники. Схема преобразователя постоянного тока преобразует одно напряжение постоянного тока в другое, обычно более высокое, постоянное напряжение путем управляемого измельчения или переключения напряжения источника.
mdl = 'scdboostconverter';
open_system(mdl)
Эта модель использует MOSFET, управляемый сигналом PWM для переключения. Напряжение выхода регулируется до ссылки значения . Цифровой ПИД-регулятор регулирует коэффициент заполнения ШИМ, , на основе сигнала ошибки напряжения. В данном примере вы оцениваете частотную характеристику от коэффициента заполнения PWM до напряжения нагрузки .
Программное обеспечение Simscape Electrical содержит предопределенные блоки для многих систем силовой электроники. Эта модель содержит вариантную подсистему с двумя версиями модели преобразователя ускорения:
Схема усилителя преобразователя, сконструированная с использованием компонентов степени. Параметры компонентов схемы основаны на [1].
Блок усилителя сконфигурирован так, чтобы иметь те же параметры, что и схема усилителя. Для получения дополнительной информации об этом блоке смотрите Boost Converter (Simscape Electrical).
Чтобы использовать блок версию подсистемы Boost Converter, в модели нажмите Boost Converter Блока или используйте следующую команду.
set_param([bdroot '/Simscape Power Systems Boost Converter'],... 'OverrideUsingVariant','block_boost_converter');
Чтобы открыть Model Linearizer, в окне модели, в галерее Apps, нажмите Model Linearizer.
Чтобы оценить частотную характеристику для усилителя, необходимо сначала определить установившуюся рабочую точку, в которой вы хотите, чтобы преобразователь работал. Для получения дополнительной информации о поиске рабочих точек смотрите Найти статические рабочие точки для моделей Simscape. В данном примере используйте рабочую точку, оцененную из моментального снимка симуляции в 0,045 секунды.
Чтобы задать время моментального снимка симуляции, в Model Linearizer, на вкладке Линейный анализ, в списке Рабочая точка, выберите Take Simulation Snapshot.
В диалоговом окне Ввод времени моментального снимка для линеаризации, в поле Время моментального снимка симуляции, введите 0.045.
Нажмите Take Snapshots, чтобы найти рабочую точку модели. Рабочая точка, op_snapshot1, появляется в Диспетчере данных, в разделе «Рабочая область линейного анализа».
Чтобы инициализировать модель с вычисленной рабочей точкой, дважды кликните мышью op_snapshot1, а затем в диалоговом окне Edit нажатия кнопки Initialize Model.
В диалоговом окне Initialize Model задайте Имя Переменной для объекта рабочей точки. Также можно использовать имя переменной по умолчанию.
Чтобы экспортировать рабочую точку в рабочую область MATLAB ® и установить начальное условие модели на эту рабочую точку, нажмите OK.
По умолчанию Model Linearizer использует точки анализа линеаризации, определенные в модели (I/OS модели), чтобы определить, где ввести тестовый сигнал и где измерить частотную характеристику. Модель scdboostconverter содержит предопределенные точки линейного анализа: точку входа на выходе ПИД-регулятор и выход разомкнутого контура перед блоком суммы отрицательной обратной связи.
Если вы хотите получить частотную характеристику другого фрагмента модели, на вкладке Estimation в Model Linearizer используйте выпадающий список Analysis I/Os. Точки анализа для оценки работают так же, как и точки анализа для линеаризации. Для получения дополнительной информации о точках линейного анализа см. «Задание фрагмента модели для линеаризации».
PRBS является периодическим, детерминированным сигналом с белошумоподобными свойствами, который смещается между двумя значениями. PRBS является по своей сути периодическим сигналом с максимальной длиной периода , где - это порядок PRBS.
Чтобы создать входной сигнал PRBS, в Model Linearizer, на вкладке Estimation, в разделе Input Signal, выберите PRBS Pseudorandom Binary Sequence.
В диалоговом окне Create PRBS input сначала установите шаг расчета 5e–6 чтобы соответствовать шагу расчета в точке инъекции входного сигнала в модели. Затем задайте частотную область значений от 300 рад/с до 30000 рад/с с помощью параметров Min и Max, а затем нажмите Compute Parameters. Программа вычисляет параметры сигнала Количество периодов и Порядок сигнала на основе заданной частотной области значений. Автоматическое определение параметра помогает создать входной сигнал, который приводит к точной частотной характеристике в заданной частотной области значений.
Чтобы использовать непериодический PRBS, установите параметр Number of periods равным 1.
Чтобы убедиться, что система правильно возбуждена, установите амплитуду возмущения равной 0.05 использование параметра Amplitude. Если амплитуда входа слишком велика, усилитель работает в режиме прерывистого тока. Если амплитуда входа слишком мала, PRBS неотличим от рябей в степень электронных схемах.
Нажмите OK. Программное обеспечение добавляет сигнал PRBS в рабочую область линейного анализа.
На вкладке Оценка выберите op_snapshot1 в качестве рабочей точки оценки.
Найдите все исходные блоки в сигнальных путях выходов линеаризации, которые генерируют изменяющиеся во времени сигналы. Такие изменяющиеся во времени сигналы могут мешать сигналу в выходных точках линеаризации и приводить к неточным результатам оценки. Чтобы отключить изменяющиеся во времени исходные блоки, нажмите кнопку Дополнительные опции. В диалоговом окне Опции для оценки частотной характеристики на вкладке Изменяющиеся во времени источники нажмите Найти и автоматически добавьте изменяющиеся во времени исходные блоки.
Закройте диалоговое окно после появления пути к блокам.
Чтобы оценить и построить график частотной характеристики, на вкладке Estimation, нажмите Bode. Расчетная система, estsys1, появляется в Рабочей области Линейного анализа и добавляется к Диаграмма Боде 1.
Оценка частотной характеристики входным сигналом PRBS приводит к результатам с большим количеством частотных точек. Можно использовать функциональность «Утончение результата», чтобы извлечь интерполированный результат из предполагаемой модели частотной характеристики через заданную частотную область значений и количество частотных точек.
Чтобы извлечь результат в желаемой частотной области значений от 300 рад/с до 30000 рад/с, выберите estsys1 в Рабочей области линейного анализа и на вкладке Графики и результаты щелкните Утончение результата (Result Thinning). В диалоговом окне «Задайте частоты» введите частотную область значений от 300 рад/с до 30000 рад/с. Кроме того, задайте 30 логарифмически разнесенных частотных точек.
Нажмите OK. Предполагаемая система, estsys1_thinned, появляется в Рабочей области линейного анализа. Чтобы построить график утонченного результата, выберите estsys1_thinned и нажмите Bode.
В Model Linearizer можно также сравнить данные частотной характеристики с результатом, полученным с помощью сигнала синестриама. Загрузите предоставленный результат оценки частотной характеристики с помощью следующей команды.
load frdSinestreamРезультат estsysSinestream - модель с 15 логарифмически разнесенными частотами, оцененная с использованием синестрима в диапазоне от 50 Гц до 5 кГц.
Чтобы сравнить результат синестрима с утонченным результатом в Model Linearizer, выберите estsysSinestream на панели Рабочего пространства MATLAB браузера данных и нажатия кнопки Диаграммы Боде 2.
Чтобы найти окончательное время симуляции для оценки частотной характеристики входным сигналом, выберите входной сигнал в Рабочей области Линейного Анализа и просмотрите время симуляции в панели Просмотр Переменной Model Linearizer. Также можно экспортировать входные сигналы в Рабочее Пространство MATLAB и использовать getSimulationTime функция. Загрузите ранее сохраненный сеанс для этого примера.
load boostconv_frdPRBS.mat
tfinal_sinestream = in_sine1.getSimulationTimetfinal_sinestream = 0.2833
tfinal_prbs = in_prbs1.getSimulationTime
tfinal_prbs = 0.0819
Время симуляции с in_prbs1 около 30% времени занимает in_sine1 для оценки частотной характеристики модели. Это указывает, что оценка частотной характеристики с помощью входного сигнала PRBS намного быстрее, чем входной сигнал синестрейма.
Предполагаемый результат частотной характеристики estsys1_thinned тесно совпадает с estsysSinestream. Поскольку входной сигнал PRBS оценивает частотные характеристики с большим количеством частотных точек, результат оценки предоставляет больше информации о резонансных характеристиках системы. Чтобы получить аналогичные результаты с помощью входного сигнала синестрима, вам, возможно, потребуется увеличить количество частотных точек, что приводит к увеличению времени оценки. Можно использовать этот подход, чтобы получить точные результаты оценки частотной характеристики за более короткое время симуляции по сравнению с оценкой с сигналами синестриама.
Закройте модель.
close_system(mdl,0)
[1] Lee, S.W. Practical Feedback Loop Analysis for Voltage-Mode Boost Converter. Отчет о SLVA633. Texas Instruments, 2014. https://www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf.