В этом примере показано, как спроектировать ПИД-регулятор для системы силовой электроники, смоделированной в Simulink® с помощью компонентов Simscape™ Electrical™.
Как правило, системы силовой электроники не могут линеаризоваться, потому что они используют высокочастотные компоненты переключения, такие как генераторы модуляции длительности импульса (PWM). Однако большинство настраивающих инструментов Simulink® Control Design™ PID проектирует коэффициенты ПИД на основе линеаризовавшей модели объекта управления. Чтобы получить такую модель для модели силовой электроники, которая не может линеаризоваться, вы можете:
Оцените частотную характеристику объекта в области значений частот как показано в этом примере.
Оцените параметры линейной модели объекта с помощью программного обеспечения System Identification Toolbox™. Поскольку пример видит, Контроллер Проекта для Модели Силовой электроники Используя Симулированные Данные о вводе-выводе.
Этот пример использует модель конвертера повышения в качестве примера системы силовой электроники. Схема конвертера повышения преобразует одно напряжение постоянного тока в другого, обычно выше, напряжение постоянного тока управляемым прерыванием или переключением исходного напряжения.
mdl = 'scdboostconverter';
open_system(mdl)
В этой модели MOSFET, управляемый сигналом модуляции длительности импульса (PWM), используется для переключения. Выходное напряжение
должно быть отрегулировано к ссылочному значению
. Цифровой ПИД-регулятор настраивает рабочий цикл PWM
, на основе сигнала ошибки напряжения. В данном примере вы оцениваете частотную характеристику от рабочего цикла PWM до напряжения загрузки.
Программное обеспечение Simscape Electrical содержит предопределенные блоки для многих систем силовой электроники. Эта модель содержит различную подсистему с двумя версиями модели конвертера повышения:
Повысьте схему конвертера, созданную с помощью компонентов электроэнергии. Параметры элементов схемы основаны [1].
Повысьте блок конвертера, сконфигурированный, чтобы иметь те же параметры как схема конвертера повышения. Для получения дополнительной информации об этом блоке смотрите Конвертер Повышения (Simscape Electrical).
Чтобы спроектировать контроллер для конвертера повышения, необходимо сначала определить установившуюся рабочую точку, в которой вы хотите, чтобы конвертер действовал. Для получения дополнительной информации о нахождении рабочих точек смотрите, Находят Установившиеся Рабочие точки для Моделей Simscape. В данном примере используйте рабочую точку, оцененную из снимка состояния симуляции.
Чтобы найти рабочую точку, используйте Model Linearizer. Чтобы открыть Model Linearizer, в окне модели Simulink, на вкладке Apps, нажимают Model Linearizer.
В Model Linearizer, на вкладке Linear Analysis, в Рабочей точке выпадающий список, выбирают Take Simulation Snapshot.
Во Ввести времена снимка состояния, чтобы линеаризовать диалоговое окно, в поле времен снимка состояния Симуляции, вводят 0.045, который пора достаточно системе с обратной связью достигнуть устойчивого состояния.
Нажмите Take Snapshots.
Программное обеспечение симулирует модель и создает рабочую точку, которая содержит вход и значения состояния модели в заданное время снимка состояния. Эта рабочая точка, op_snapshot1, добавляется к Линейной Аналитической Рабочей области.
Чтобы инициализировать модель вычисленной рабочей точкой, дважды кликните op_snapshot1.
В диалоговом окне Edit кликните по модели Initialize.
В диалоговом окне Initialize Model выберите MATLAB Workspace и нажмите ОК. Программное обеспечение экспортирует рабочую точку в рабочую область MATLAB® и инициализирует модель входными параметрами и состояниями в рабочей точке.
Прежде, чем собрать данные о частотной характеристике, необходимо сначала задать фрагмент модели, для которой вы хотите найти частотную характеристику. В данном примере модель содержит ввод и вывод разомкнутого контура линейные аналитические точки при выходе и входе блока ПИД-регулятора.
Чтобы собрать данные о частотной характеристике, необходимо также задать входной сигнал. В данном примере используйте фиксированный шаг sinestream сигнал. Для получения дополнительной информации об определении sinestream входные сигналы, см. Входные сигналы Sinestream.
На вкладке Estimation, во Входном сигнале выпадающий список, нажимают Fixed Sample Time Sinestream.
В Задавании фиксированного диалогового окна шага расчета задайте Шаг расчета 5e-6 секунды. Шаг расчета входного сигнала Sinestream должен совпадать с шагом расчета во входе линейная аналитическая точка.
Нажать ОК.
В Создавании sinestream вход с фиксированным диалоговым окном шага расчета, сконфигурируйте параметры сигнала sinestream.
Задайте единицы частоты для оценки. В единицах Частоты выпадающий список выберите Hz.
В данном примере оценка частотной характеристики может или использовать одну симуляцию на частоту или одну симуляцию для всех частот. В Симуляции заказывают выпадающий список, выбирают симуляцию опции по умолчанию Single для всех частот. Если у вас есть программное обеспечение Parallel Computing Toolbox™, можно ускорить оценку частотной характеристики путем выбора Одной частоты на симуляцию и включения параллельного пула для оценки. Чтобы включить параллельный пул, на вкладке Estimation, нажимают More Options, затем в диалоговом окне, выбирают пул параллели Use во время оценки.
Чтобы задать частоты, на которых можно оценить ответ объекта, нажмите + значок.
В Добавить диалоговом окне частот задайте 15 логарифмически распределенные частоты в пределах от 50 Hz к 5 kHz.
Нажать ОК.
Гарантировать систему правильно взволновано, установите амплитуду на всех частотах. Если входная амплитуда будет слишком большой, конвертер повышения будет действовать в прерывисто-текущем режиме. Если входная амплитуда слишком будет мала, sinestream будет неотличим от пульсаций в схемах силовой электроники. Обе ситуации приводят к неточным результатам оценки частотной характеристики.
Чтобы установить амплитуду, сначала выберите все частоты в области построения. Затем в поле Amplitude введите 0.01.
Оставьте все другие sinestream настройки в их значениях по умолчанию.
Чтобы создать сигнал sinestream, нажать ОК.
Модель имеет изменяющуюся во времени линию и воздействия загрузки, смоделированные как ступенчатые функции, которые вмешаются в оценку частотной характеристики. Чтобы содержать эти воздействия, постоянные во время симуляции, нажмите More Options. Затем в Опциях для диалогового окна оценки частотной характеристики, на вкладке Time Varying Sources, нажимают Find и добавляют время различные исходные блоки автоматически.
Чтобы оценить и построить частотную характеристику, на вкладке Estimation, нажимают Bode.
Программное обеспечение оценивает частотную характеристику и отображает результат в Диаграмме Боде 1. Частотная характеристика построена с помощью дискретных точек и показывает максимальную чувствительность между 1200 и 1 600 рад/с.
Чтобы настроить ваш ПИД-регулятор, необходимо экспортировать частотную характеристику на рабочее пространство MATLAB. В Браузере Данных перетащите estsys1 от линейной аналитической рабочей области до рабочего пространства MATLAB.
Прежде, чем настроить блок PID Controller с помощью PID Tuner, необходимо сначала задать структуру контроллера. Для этого дважды кликните блок PID Controller. Затем задайте следующие параметры контроллера:
Контроллер
Форма
Временной интервал
Настройки дискретного времени
Другие настройки, такие как начальные условия контроллера, выводят уровни насыщенности и антизаключительную настройку
В данном примере используйте настройку токового контроллера; то есть, ПИД-регулятор параллельной формы дискретного времени без антизавершения.
Используя PID Tuner, можно настроить параметры следующих блоков контроллера:
Если ваша модель использует блок Simscape Electrical Discrete PI Controller (Simscape Electrical) или Дискретный ПИ-контроллер с блоком Integral Anti-Windup (Simscape Electrical), необходимо заменить этот блок на блок PID Controller перед настройкой.
Чтобы открыть PID Tuner, нажмите Tune. Когда PID Tuner начинает открываться, он пытается линеаризовать модель. Из-за компонентов PWM, модель аналитически линеаризует, чтобы обнулить.
В данном примере вы настраиваете контроллер, использующий предполагаемые данные о частотной характеристике в качестве вашей модели объекта управления. Чтобы импортировать данные о частотной характеристике, на вкладке PID Tuner, нажимают Plant, и затем, под Создают Новый Объект, нажимают Import.
В Получить диалоговом окне модели объекта управления выберите Importing an LTI System, и в таблице, выберите estsys1.
Нажать ОК.
Поскольку вы используете предполагаемую частотную характеристику, PID Tuner не может построить переходной процесс. Чтобы просмотреть частотную характеристику, нажмите Add Plot, и под Предвещают, нажимают Open-loop.
Закройте документ Графика Шага.
Диаграмма Боде показывает ответ блока (пунктирная линия) и настроенный ответ (сплошная линия). Ответ блока является ответом разомкнутого контура для текущих коэффициентов ПИД в блоке PID Controller. Настроенный ответ является ответом разомкнутого контура с помощью настроенных коэффициентов ПИД в PID Tuner.
Чтобы настроить контроллер в терминах полосы пропускания и запаса по фазе, спроектируйте контроллер в частотном диапазоне. В Доменном выпадающем списке выберите Frequency.
В данном примере установите Полосу пропускания и Запас по фазе к 9 425 рад/с (1,5 кГц) и 60 градусов, соответственно, согласно критериям расчета, заданным в [1].
PID Tuner выбирает параметры контроллера, которые выполняют этим техническим требованиям проекта.
Чтобы просмотреть настроенные параметры контроллера и показатели производительности, включая запасы по амплитуде и фазе, нажимают Show Parameters. Настроенный результат имеет бесконечный запас по амплитуде и запас по фазе на 65 градусов на уровне приблизительно 9 425 рад/с.
Чтобы обновить блок PID Controller с настроенными усилениями, нажмите Update Block.
Можно исследовать настроенную эффективность контроллера с помощью симуляции с линией и загрузить воздействия. Чтобы исследовать динамические характеристики контроллера, модель Simulink использует следующие воздействия:
Воздействие линии в t = 0,075 секунды, который увеличивает входное напряжение 
с 5 В до 10 В.
Загрузите воздействие в t = 0,1 секунды, который увеличивает нагрузочное сопротивление
с 3 Ом до 6 Ом.
Симулируйте модель.
Контроллер отклоняет линию и воздействия загрузки хорошо.
[1] Ли, S. W. "Практический анализ обратной связи для конвертера повышения режима напряжения". Отчет № SLVA633 приложения. Texas Instruments. Январь 2014. www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf