这个例子展示了如何使用Simscape™Electrical™组件为在Simulink®中建模的电力电子系统设计PID控制器。万博1manbetx
通常,电力电子系统不能线性化,因为它们使用高频开关元件,如脉宽调制(PWM)发生器。然而,大多数Simulink万博1manbetx®Control Design™PID整定工具基于线性化的工厂模型来设计PID增益。为了获得不能线性化的电力电子模型的这样一个模型,可以:
估计在此示例中所示的频率范围内的植物频率响应。
使用系统识别工具箱™软件估计植物线性模型的参数。有关示例,请参见,基于仿真I/O数据的电力电子模型控制器设计.
本例使用升压变换器模型作为电力电子系统的实例。升压变换器电路通过控制斩波或开关源电压,将一种直流电压转换为另一种,通常是更高的直流电压。
mdl =“scdboostconverter”;open_system (mdl)
在这个模型中,一个由脉宽调制(PWM)信号驱动的MOSFET用于开关。输出电压应以参考值规范吗.数字PID控制器调节PWM占空比,,基于电压误差信号。对于这个例子,你估计从PWM占空比到负载电压的频率响应.
Simscape电气软件包含用于许多电力电子系统的预定义模块。该模型包含一个变型子系统,带有升压变换器模型的两个版本:
升压变换器电路构造使用电力元件。电路元件的参数以[1]为基础。
升压转换器模块配置为具有与升压转换器电路相同的参数。有关此区块的更多信息,请参见提高转换器(Simscape电气).
要为升压变换器设计控制器,必须首先确定要使变换器运行的稳态工作点。有关查找操作点的更多信息,请参见为Simscape模型寻找稳态工作点.对于本例,使用从模拟快照估计的工作点。
要找到操作点,使用模型线性化电路.打开模型线性化电路,在Simulin万博1manbetxk模型窗口中应用程序选项卡上,单击模型线性化电路.
在模型线性化电路,在线性分析选项卡,操作点下拉列表中,选择采取模拟快照.
在“输入要线性化的快照时间”对话框中模拟快照时间字段中,输入0.045
,有足够的时间使闭环系统达到稳态。
点击采取快照.
软件模拟模型并创建一个工作点,该工作点包含在指定的快照时间内模型的输入和状态值。这个操作点,op_snapshot1
,被添加到线性分析工作区.
要使用计算的操作点初始化模型,双击op_snapshot1
.
在“编辑”对话框中单击初始化模型.
在初始化模型对话框中,选择MATLAB的工作区,然后单击好吧.该软件将工作点导出到MATLAB®工作空间,并使用工作点中的输入和状态初始化模型。
在收集频率响应数据之前,必须首先指定要查找频率响应的模型部分。对于本例,该模型在PID控制器块的输出和输入处包含开环输入和输出线性分析点。
要收集频率响应数据,还必须指定输入信号。对于本例,使用固定步长正弦流信号。有关定义正弦流输入信号的更多信息,请参见Sinestream输入信号.
在估计选项卡,输入信号下拉列表中,单击固定的样本时间sinstream.
在“指定固定采样时间”对话框中,指定样品时间的5 e-6
秒。sinstream输入信号的采样时间必须与输入线性分析点的采样时间相匹配。
点击好吧.
在“创建固定采样时间的正弦流输入”对话框中,配置正弦流信号的参数。
指定用于估计的频率单位。在频率的单位下拉列表中,选择赫兹
.
对于本例,频率响应估计既可以对每个频率使用一个模拟,也可以对所有频率使用一个模拟。在模拟订单下拉列表,选择默认选项所有频率的单一模拟.如果您有并行计算工具箱™软件,您可以通过选择加速频率响应估计每个模拟只有一个频率并启用并行池进行估计。要启用并行池,在估计选项卡上,单击更多的选择,然后在对话框中选择在评估期间使用并行池.
要指定估计植物响应的频率,请单击+
图标。
在“添加频率”对话框中,指定15
对数间隔频率范围从50赫兹
来5 kHz
.
点击好吧.
为确保系统被适当激励,在所有频率设置振幅。如果输入幅值过大,升压变换器将工作在断续电流模式。如果输入振幅太小,正弦波将与电力电子电路中的波纹难以区分。这两种情况都会产生不准确的频响估计结果。
要设置振幅,首先选择plot区域中的所有频率。然后,在振幅字段,类型0.01
.
保留所有其他sinstream设置为默认值。
要创建正弦流信号,单击好吧.
该模型具有时变线和负载扰动建模为阶跃函数,将干扰频率响应估计。要在模拟过程中保持这些扰动不变,请单击更多的选择.然后,在“频率响应估计选项”对话框中,在随时间变化的来源选项卡上,单击自动查找和添加时变源块.
估计和绘制频率响应,在估计选项卡上,单击波德.
软件估计频率响应并显示结果波德图1.频率响应用离散点绘制,并显示了在1200和1600 rad/s之间的峰值响应。
要调整PID控制器,必须将频率响应输出到MATLAB工作空间。在数据浏览器,拖estsys1
从线性分析工作区到MATLAB的工作区.
在调优PID控制器块使用PID调谐器,则必须首先指定控制器结构。为此,双击PID Controller块。然后,指定以下控制器参数:
控制器
形式
时间域
离散时间设置
其他设置,如控制器初始条件,输出饱和水平,防上发条配置
对于本例,使用当前控制器配置;即不带反上环的离散时间并联PID控制器。
使用PID调谐器,可调优以下控制器块的参数:
如果您的模型使用Simscape Electrical离散PI控制器(Simscape电气)块或带积分反上环的离散PI控制器(Simscape电气)块,您必须在调优之前用PID控制器块替换此块。
打开PID调谐器,点击调优.当PID调谐器首先打开,它尝试线性化模型。由于PWM元件,模型解析线性化为零。
对于本例,您使用估计的频率响应数据作为工厂模型来调优控制器。要导入频率响应数据,在PID调谐器选项卡上,单击植物,然后,在创造一种新的植物,点击进口.
在获得植物模型对话框中,选择导入LTI系统,并在表中选择estsys1
.
点击好吧.
因为你用的是估计的频率响应,PID调谐器无法绘制阶跃响应。查看频率响应,单击添加图,在波德,点击开环
.
关闭步骤图文档。
Bode图显示了一个块响应(虚线)和一个调优响应(实线)。块响应是PID控制器块中当前PID增益的开环响应。调谐响应是使用调谐PID增益的开环响应PID调谐器.
为了根据带宽和相位裕度对控制器进行调整,在频域上设计控制器。在域下拉列表中,选择频率
.
对于本例,设置带宽和阶段保证金至9425 rad/s (1.5 kHz)和60℃,根据[1]规定的设计准则。
PID调谐器选择满足这些设计规格的控制器参数。
要查看调整后的控制器参数和性能指标,包括增益和相位裕度,单击显示参数.调谐结果在9425 rad/s左右有无限增益裕度和65度相位裕度。
要用调整后的增益更新PID控制器块,单击更新块.
您可以使用带有线路和负载扰动的仿真来检查调谐控制器的性能。为了检验控制器的动态性能,Simulink模型使用了以下扰动:万博1manbetx
t = 0.075秒时的线路干扰,增加了输入电压,,从5V到10V。
t = 0.1秒时的负载扰动,增加了负载电阻,从3到6欧姆。
模拟模型。
该控制器能很好地抑制线路和负载扰动。
[1]李,S. W。电压型升压变换器的实用反馈回路分析。申请报告。SLVA633。德州仪器。2014年1月。www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf