Настройка ПИД-контроллера в реальном времени с помощью блока Closed-Loop ПИД Autotuner
В этом примере показов, как использовать блок Closed-Loop ПИД Autotuner для настройки ПИД-регулятора для объекта усилителя конвертера как в симуляции, так и в реальном времени.
Блок замкнутой системы ПИД Autotuner
Блок Closed-Loop ПИД Autotuner позволяет настраивать одношаговый ПИД-регулятор как в симуляции, так и в реальном времени. Блок 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 вблизи желаемой полосы пропускания.
Блок Closed-Loop PID Autotuner поддерживает два типичных сценария настройки ПИД в приложениях реального времени.
Разверните блок на оборудовании и используйте его в автономном приложении реального времени, без присутствия Simulink.
Разверните блок на оборудовании, но контролируйте и управляйте процессом настройки в режиме реального времени в Simulink, используя внешний режим симуляции. Режим external mode позволяет осуществлять связь между Диаграммой Simulink, работающим на хосте-компьютере, и сгенерированным кодом, выполняемым на оборудовании.
Этот пример посвящен первому сценарию, развертыванию блока для выполнения настройки в реальном времени.
Программное обеспечение Simulink Control Design™ также предоставляет блок Open-Loop PID Autotuner для настройки ПИД в реальном времени. Основное различие двух блоков autotuner в том, что блок Open-Loop PID Autotuner проводит эксперимент с разомкнутой циклом обратной связи (то есть существующий контроллер не в действии). Чтобы решить, какой блок autotuner лучше всего подходит для вашего приложения, примите во внимание следующие точки
Если у вас нет начального контроллера, используйте блок Open-Loop PID Autotuner, чтобы получить его. Можно продолжить его использование, чтобы вернуть контроллер или заменить его блоком Closed-Loop PID Autotuner.
Если у вас есть начальный контроллер, используйте блок Closed-Loop PID Autotuner для повторной настройки. Основные преимущества: (1) если есть неожиданное нарушение порядка во время эксперимента, то это отклоняется существующим контроллером для обеспечения безопасной операции; (2) существующий контроллер поддерживает объект вблизи ее номинальной рабочей точки, также подавляя сигналы возмущения.
Усилитель с управлением в режиме напряжения
В этом примере усилитель в режиме напряжения моделируется в Simulink ® с использованием Simscape™ компонентов Electrical™. Параметры этих компонентов основаны на [1].
mdl = 'scdboostconverterPIDTuningMod';
open_system(mdl)
Схема преобразователя постоянного тока преобразует напряжение постоянного тока в другое, обычно более высокое, постоянное напряжение путем управляемого измельчения или переключения напряжения источника. В этой модели для переключения используется МОП-транзистор, управляемый сигналом модуляции ширины импульса (PWM). Цифровой ПИД-регулятор регулирует коэффициент заполнения ШИМ, чтобы поддерживать напряжение нагрузки
в исходной ссылке.
В номинальной рабочей точке напряжение нагрузки составляет 18 вольт, а коэффициент заполнения составляет около 0,74. Коэффициент заполнения может варьироваться от 0,1 до 0,85 во время работы усилителя конвертера.
Существующий ПИД-регулятор имеет коэффициент усиления P = 0,02, I = 160, D = 0,00005 и N = 20000. Эти усиления хранятся в блоке Data Store Memory и предоставляются извне блоку ПИД-регулятор. Наличие внешних входных портов усиления позволяет вам изменять значения после вычисления новых коэффициентов усиления блоком Closed-Loop PID Autotuner.
Соедините блок Autotuner с объектом и контроллером
Вставьте блок Closed-Loop PID Autotuner между блоком ПИД-регулятор и объектом, как показано на модели усилителя. Сигнал запуска/остановки запускается и останавливает эксперимент с обратной связью. Когда ни один эксперимент не выполняется, блок Closed-Loop PID Autotuner ведет себя как блок усиления единства, где u сигнал переходит непосредственно к u+Δu.
При использовании блока Closed-Loop ПИД Autotuner в симуляции или приложениях реального времени примите во внимание следующие точки.
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 нагрузки на объекте во время эксперимента. Блок autotuner ожидает, что выход объекта управления будет ответом только на введенные сигналы возмущения, и нарушения порядка нагрузки искажают этот выход.
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.
Сконфигурируйте блок Autotuner
После правильного соединения блока Closed-Loop PID Autotuner с моделью объекта управления и блоком ПИД-регулятор используйте параметры блоков, чтобы задать настройку и экспериментировать.
На вкладке Tuning есть две основные настройки настройки.
Целевая полоса пропускания: Определяет, насколько быстро вы хотите, чтобы контроллер ответил. В этом примере выберите
10000рад/сек, что характерно для усилительного конвертера.Целевой запас по фазе: Определяет, насколько устойчивым вы хотите, чтобы контроллер был. В этом примере выберите значение по умолчанию
60степени.
На вкладке Эксперимент существуют три основные настройки эксперимента.
Тип объекта: Определяет, является ли объект асимптотически стабильным или интегрирующимся. В этом примере объект усилителя конвертера 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, соответственно. В этом примере установка усилителя конвертера имеет положительный знак объекта.
Амплитуды синуса: Задает амплитуды введённых синусоид. В этом примере выберите
0.03для всех пяти частот сигнала возмущения, чтобы убедиться, что объект правильно возбужден в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения слишком велика, усилитель работает в режиме прерывистого тока. Если амплитуда входа слишком мала, синусоидальные сигналы неотличимы от рябей в степень электронных схемах. Обе ситуации дают неточные результаты оценки частотной характеристики.
Симулируйте блок Autotuner в режиме Normal Mode
Если у вас есть модель объекта управления, созданная в Simulink, рекомендуется моделировать блок ПИД Autotuner относительно модели объекта управления в режиме normal mode, прежде чем развертывать его для настройки в реальном времени. Симуляция помогает вам идентифицировать проблемы с соединениями сигналов и настройками блоков, чтобы можно было настроить их перед генерацией кода.
Симуляция объекта усилителя обычно занимает несколько минут из-за быстрого шага расчета генератора PWM. Vout является выходом и Duty Cycle объекта - вход объекта управления.
sim(mdl)
В этом примере он принимает ПИД-регулятор о 0.04 секунд, чтобы привести усилитель конвертера к номинальной рабочей точке 18 вольт. Начальный переходный процесс содержит сильные колебания, что указывает на то, что существующий контроллер должен быть сохранен.
В 0.04 секунд, начинается процесс автоматической настройки. Эксперимент продолжается 0.02 секунд, потому что количество секунд, которое требуется для сходимости онлайн-оценки частотной характеристики, составляет около 200, разделенных на полосу пропускания.
Для другой номинальной рабочей точки может потребоваться больше времени, чтобы усилительный преобразователь достиг ссылки напряжения. Необходимо изменить сигнал времени запуска/остановки так, чтобы процесс автотунирования всегда начинался с номинальной рабочей точки.
Когда настройка ПИД останавливается на 0.06 секунд, блок вычисляет новые усиления, P = 0,04, I = 100, D = 0,00006 и N = 30000. Новые усиления немедленно записываются в память хранилища данных и отправляются во внешние входные порты блока ПИД-регулятор, который перезаписывает исходные усиления.
Модель имеет нарушение порядка линии (Vin от 5V до 10V) и нарушение порядка током нагрузки (Load от 6A до 3A), которые происходят на 0,07 и 0,08 секунде, соответственно. Можно использовать эти нарушения порядка для исследования эффективности контроллера. Новый набор коэффициентов ПИД обеспечивает улучшенную реакцию с обратной связью с гораздо меньшими колебаниями.
Использование блока Autotuner в автономном приложении
Чтобы настроить ПИД-контроллер на физический усилитель в автономном приложении реального времени, необходимо сгенерировать код C/C + + из блока Closed-Loop PID Autotuner и развернуть его на своем оборудовании.
Во время выполнения можно изменить следующие настраиваемые параметры.
Тип ПИД-регулятора
Форма ПИД-регулятора
ПИД и методы фильтрации (только дискретное время)
Целевая полоса пропускания
Целевой запас по фазе
Тип объекта
Знак объекта
Амплитуды синусоид
Шаг расчета блока Closed-Loop ПИД Autotuner не является настраиваемым параметром. Чтобы использовать блок autotuner с другим шагом расчета без перекомпиляции модели, установите параметр Контроллера шага расчета блока равным -1 и поместите блок autotuner в триггируемую подсистему. Это приводит к запуску автотуннера во шаг расчета триггируемой подсистемы.
close_system(mdl,0)
Ссылки
[1] Lee, S.W. «Practical Feedback Loop Analysis for Voltage-Mode Boost Converter». Номер отчета по приложению SLVA633. Техасские инструменты. Январь 2014 года. www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf