Настройка векторных контроллеров с использованием блока PID с обратной связью

Этот пример использует:

В этом примере показано, как использовать блок Closed-Loop PID Autotuner для настройки векторного управления (FOC) для синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) всего за одну симуляцию.

Внедрение векторного управления

В этом примере векторное управление (FOC) для синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) моделируется в Simulink ® с использованием Simscape™ компонентов Electrical™.

mdl = 'scdfocmotorPIDTuning';
open_system(mdl)

Векторное управление (FOC) управляет 3-фазными токами статора как вектором. FOC основан на проекциях, которые преобразуют 3-фазную зависящую от времени и скорости систему в 2-координатную инвариантную по времени систему. Эти преобразования являются Преобразованием Кларка, Преобразованием Парка и их соответствующими обратными преобразованиями. Эти преобразования реализованы как блоки в подсистеме Controller_Algorithm.

Преимущества использования FOC для управления двигателями переменного тока включают:

Крутящий момент и поток управляются непосредственно и отдельно
Точное переходное и установившееся управление
Аналогичная эффективность по сравнению с двигателями постоянного тока

Подсистема Controller_Algorithm содержит всё три ПИ-контроллеров. Внешний контур ПИ-контроллера регулирует скорость двигателя. Два внутренних контура ПИ-контроллеров управлять токами по оси D и Q отдельно. Команда от внешнего контура ПИ-контроллера непосредственно подается на ось Q, чтобы управлять крутящим моментом. Команда для оси d равна нулю для PMSM, потому что поток ротора фиксирован постоянными магнитами для этого типа электродвигателя переменного тока.

Существующее ПИ-контроллер скорости имеет коэффициент усиления P = 0,08655 и I = 0,1997. Ток ПИ-контроллеров оба имеют усиления P = 1 и I = 200.

Усиления контроллера хранятся в блоке памяти хранилища данных и предоставляются извне каждому блоку ПИД. Когда процесс настройки для контроллера завершен, новые настроенные усиления записываются в блок Data Store Memory. Это строение позволяет вам обновить усиления контроллера в реальном времени во время симуляции.

Блок замкнутой системы ПИД Autotuner

Блок Closed-Loop ПИД Autotuner позволяет настраивать по одному ПИД-регулятору за раз. Он вводит синусоидальные сигналы возмущения на входе объекта и измеряет выход объекта во время эксперимента с обратной связью. Когда эксперимент прекращается, блок вычисляет коэффициенты ПИД на основе частотных характеристик объекта, оцененных в небольшом числе точек вблизи желаемой полосы пропускания. Для этой модели FOC PMSM может использоваться блок Closed-Loop ПИД Autotuner для каждого из трёх ПИ-контроллеров.

Этот рабочий процесс применяется, когда у вас есть начальные контроллеры, которые вы хотите вернуть с помощью блока Closed-Loop PID Autotuner. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:

Если в ходе эксперимента возникнет неожиданное нарушение порядка, это будет отклонено существующим контроллером для обеспечения безопасной операции.
Существующий контроллер будет поддерживать работу объекта вблизи номинальной рабочей точки путем подавления сигналов возмущения.

При использовании блока Closed-Loop PID Autotuner как для симуляций, так и для приложений реального времени:

Этот объект должен быть либо асимптотически стабильным (все полюсы строго стабильны), либо интегрированным. Блок autotuner не работает с нестабильным объектом.
Цикл обратной связи с существующим контроллером должен быть стабильным.
Чтобы более точно оценить частотные характеристики объекта в реальном времени, минимизируйте вхождение любых нарушений порядка в модели FOC PMSM во время эксперимента. Блок autotuner ожидает, что выход объекта управления будет ответом только на введенные сигналы возмущения.
Поскольку цикл обратной связи закрыт во время эксперимента, существующий контроллер также подавляет введенные сигналы возмущения. Преимущество использования эксперимента с обратной связью состоит в том, что контроллер удерживает объект рядом с номинальной рабочей точкой и поддерживает безопасную операцию. Недостатком является то, что это снижает точность оценки частотной характеристики, если ваша целевая полоса пропускания находится далеко от текущей полосы пропускания.

Соедините Autotuner с объектом и контроллером

Вставьте блок Closed-Loop ПИД Autotuner между блоком ПИД и объектом для всего трёх ПИ-контроллеров, как показано на модели FOC PMSM. The start/stop сигнал запускается и останавливает эксперимент с обратной связью. Когда ни один эксперимент не выполняется, блок Closed-Loop PID Autotuner ведет себя как блок усиления единства, куда $u$ сигнал непосредственно переходит. $u + \Delta u$

Чтобы просмотреть измененную структуру управления внешним контуром, откройте подсистему Controller_Algorithm.

controlSubsystem = [mdl '/Controller_Algorithm'];
open_system(controlSubsystem)

Просмотрите измененный токовый контроллер оси D. Модифицированный контроллер q-оси имеет идентичную структуру.

open_system([controlSubsystem '/DQ_Current_Control/D_Current_Control'])

Сконфигурируйте блок Autotuner

После соединения блока Closed-Loop PID Autotuner с моделью объекта управления и блоком ПИД, настройте настройку и экспериментируйте.

На вкладке Tuning есть две основные настройки настройки:

Целевая полоса пропускания - определяет, насколько быстро вы хотите, чтобы контроллер ответил. В этом примере выберите 5000 рад/с для управления током и 100 рад/с для регулировки скорости.

Целевой запас по фазе - определяет, насколько устойчивым вы хотите, чтобы контроллер был. В этом примере выберите 70 степени для управления током и 90 степень для контроля скорости.

На вкладке Эксперимент существуют три основные настройки эксперимента:

Тип объекта - определяет, является ли объект асимптотически стабильным или интегрирующимся. В этом примере модель FOC PMSM является стабильной.
Знак объекта - определяет, имеет ли объект положительный или отрицательный знак. Знак объекта управления положительный, если положительное изменение входного параметра объекта входа в номинальной рабочей точке приводит к положительному изменению выхода объекта управления, когда объект достигает нового устойчивого состояния. В противном случае знак объекта отрицателен. Если объект является стабильным, знак объекта эквивалентен признаку усиления постоянного тока. Если объект интегрируется, знак завода положителен (или отрицателен), если выход объекта продолжает увеличиваться (или уменьшаться). В этом примере модель FOC PMSM имеет положительный знак объекта.
Амплитуды синуса - задает амплитуды вводимых синусоид. В этом примере выберите 0.25 для токовых контроллеров и 0.01 для контроллера скорости, чтобы убедиться, что объект правильно возбужден в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения слишком велика или слишком мала, это приведет к неточным результатам оценки частотной характеристики.

Настройка каскадной обратной связи Циклов

Поскольку блок Closed-Loop ПИД Autotuner настраивает только одно ПИ-контроллер за раз, три контроллера должны быть настроены отдельно в модели FOC PMSM. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллер внешнего контура.

Токовый контроллер оси d настраивается между 1,3 и 1,35 с.
Q-составляющая токового контроллера настраивается между 1,4 и 1,45 с.
Контроллер скорости настраивается между 1,5 и 3,5 секундами.

После настройки каждого ПИ-контроллера коэффициент усиления контроллера обновляется через блок Данных Store Памяти.

Симуляция блока Autotuner в режиме Normal Mode

В этом примере модель FOC PMSM построена в Simulink. Все три контроллера настроены в одной симуляции. В сложение отклики сравниваются между откликами скорости до и после настройки контроллеров.

Симуляция модели FOC PMSM обычно занимает на вашем компьютере несколько минут из-за небольшого шага расчета контроллера силовой электроники двигателя.

sim(mdl)
logsout_autotuned = logsout;
save('AutotunedSpeed','logsout_autotuned')

Следующий рисунок показывает общий результат симуляции.

Следующий рисунок показывает текущую и скоростную характеристики во время настройки, от 1,3 до 3,5 секунд. Изменение тока внутри 0.1 А и изменение скорости мотора в пределах 2 рад/с (около 1% отклонения).

Три ПИ-контроллеров настроены с новыми усилениями.

Скорость, ПИ-контроллер имеет коэффициент усиления P = 0,2785 и I = 2,678.
Ток по оси D, ПИ-контроллеру имеет усиления P = 5,135 и I = 8663.
Ток q-составляющей ПИ-контроллера имеет усиления P = 4,59 и I = 8026.

Те же команды скорости применяются до и после процесса автотунирования. Постройте график скоростных характеристик до и после настройки контроллеров с помощью блока Closed-Loop PID Autotuner. Кривые характеристики скорости выравниваются по времени, чтобы сравнить характеристики контроллера один за другим.

scdfocmotorPIDTuningPlotSpeed

После настройки контроллеров реакция скорости двигателя переменного тока имеет более быстрый переходный процесс и меньшую установившуюся ошибку.

bdclose(mdl)

См. также

Closed-Loop PID Autotuner

Документация