基于闭环PID自整定块的三相整流器PID控制器设计

这个例子使用了:

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本例展示了如何使用闭环PID自动调谐块来调谐基于维也纳整流器的功率因数校正器的直流链路电压，DQ轴电流和电压中性控制器。

功率因数校正模型

本例使用中描述的功率因数校正电路维也纳整流器控制(Simscape电气)。功率因数校正预变流器对负荷的功率因数进行校正，提高了配电系统的能效。当非线性阻抗(如开关电源)连接到交流电网时，这种校正是有用的。

该模型使用维也纳整流器和开关电源将三相120V交流电源转换为稳压400V直流电源。为了确保器件导通电阻的正确表示，半导体元件使用mosfet而不是理想的开关进行建模。模型仿真被配置为使用分区求解器在加速模式下运行。

open_system (“PWM_Rectifier_Vienna_SC”）

dq轴电流控制

对于本例，维也纳整流器的dq轴控制器建模如下图所示。

在dq轴控制中，依赖于时间的三相电流被转换成使用投影的时不变的两坐标矢量。这些变换是Clarke变换，Park变换，以及它们各自的逆变换。这些转换是作为measurement子系统中的块实现的。为了保持功率因数接近于1，从电网吸取的无功功率应该接近于零。因此，从控制器命令零q轴电流允许功率因数接近1。

在模型中，控制器具有以下增益:

直流电压PI控制器:P = 2, I = 20
两个dq轴电流PI控制器:P = 5和I = 500
电压中性P控制器:P = 0.001

控制器增益存储在数据存储内存块中，并提供给每个PID块的外部。当控制器的调优过程完成时，新的调优增益将被写入数据存储内存块。此配置允许您在仿真期间实时更新控制器增益。

对于本例，您使用闭环PID自动调谐块返回这些控制器。

闭环PID自动调谐块

闭环PID自动调谐块允许您一次调谐一个PID控制器。它在植物输入处注入正弦扰动信号，并在闭环实验中测量由此产生的植物输出。当实验停止时，该块根据在所需带宽附近的少量点估计的植物频率响应计算PID增益。对于维也纳整流器模型，闭环PID自调谐块可用于每个控制器，如下面的直流链路电压环所示。

这个工作流程适用于当你有初始控制器，你想要返回使用闭环PID自动调谐块。这种方法的好处是:

如果在实验过程中出现意外干扰，将被现有控制器拒绝，以确保安全运行。
现有的控制器通过抑制扰动信号使装置在其标称工作点附近运行。

当使用闭环PID自动调谐块模拟和实时应用:

该对象要么是渐近稳定的(所有极点都是严格稳定的)，要么是积分的。自动调谐器块不适用于不稳定的植物。
已有控制器的反馈回路必须是稳定的。
为了更准确地实时估计电厂频率响应，在实验期间尽量减少维也纳整流器模型中出现的任何干扰。自动调谐块期望对象输出仅是对注入的扰动信号的响应。
由于实验过程中反馈环是闭合的，现有控制器对注入的扰动信号也有抑制作用，当目标带宽远离当前带宽时，降低了频响估计的精度。

调整级联反馈回路

由于闭环PID自动调谐块一次只调谐一个PID控制器，因此必须在模型中分别调谐四个控制器。因此，您首先调整内部电流控制器，然后是直流链路电压控制器，然后是电压中性控制器。

在模型模拟过程中:

d轴电流控制器在0.65和0.75秒之间调谐。
q轴电流控制器在0.8和0.9秒之间调谐。
直流链路电压控制器在0.95和1.45秒之间调谐。
电压中性控制器在1.7和1.72秒之间调谐。

调优每个控制器后，控制器增益通过数据存储内存块更新。

配置自动调谐器块

将闭环PID自动调谐模块与工厂和PID模块连接后，配置每个模块的调谐和实验设置。在调优选项卡，有两个主要的调优设置:

目标带宽-确定您希望控制器的响应速度。本例中，电流控制选择3000 rad/s，直流电压控制选择400 rad/s，电压中线控制选择20000 rad/s。

目标相裕度-确定您希望控制器的鲁棒性。在本例中，为所有控制器选择60度。

在实验选项卡中，主要有三种实验设置:

植物类型-指定对象是否渐近稳定或积分。在本例中，维也纳整流器模型是稳定的。
工厂签字-指定该植物是正号还是负号。如果工厂在标称工作点输入的正变化导致工厂在达到新的稳定状态时输出的正变化，则工厂符号为正。否则，植物符号为负。如果一个电站是稳定的，电站的符号等于它的直流增益的符号。如果一个植物正在进行积分，如果植物输出持续增加(或减少)，植物符号为正(或负)。在这个例子中，维也纳整流器模型有一个积极的工厂标志。
正弦振幅-注入正弦波的振幅。在本例中，为了确保植物在饱和极限内得到适当的激励，选择0.6为d轴控制器，0.19为q轴控制器，1为直流电压控制器，和0.01用于电压中性点控制器。如果激励幅值过大或过小，都会对这些实验产生不准确的频响估计结果。

模拟自动调谐块在加速器模式

在这个例子中，维也纳整流器模型在加速器模式下运行，所有四个控制器都在一个模拟中进行了调整。由于电力电子控制器的采样时间较小，模型的仿真通常需要几分钟。

要调优控制器，请模拟模型。

sim卡(“PWM_Rectifier_Vienna_SC”）

ans = 万博1manbetxSimulink。SimulationOutput: logsout: [1x1 万博1manbetxSimulink.SimulationData.]数据集]tout: [4000001x1 double] SimulationMetadata: [1x1 Simul万博1manbetxink。SimulationMetadata] ErrorMessage: [0x0 char]

下图显示了电流和电压控制器从0.65秒调整到1.45秒期间的直流链路电压分布。它还显示了在1.5秒时引入不平衡负载以及随后在1.7秒时调整电压中性控制器。

open_system (“PWM_Rectifier_Vienna_SC /范围/范围”）

四个控制器用新的增益进行调谐。

直流电压PI控制器:P = 0.7386, I = 135.6
d轴电流PI控制器:P = 8.407, I = 1127
q轴电流PI控制器:P = 11.91, I = 3706
电压中性P控制器:P = 6.628

下图显示了调整控制器前后与参考电压相比的直流链路电压响应。原来的控制器(红色)在引入不平衡负载0.7秒和1.1秒后无法维持直流链路电压。另一方面，自调谐控制器以最小的超调和良好的稳定时间减少上升时间到稳态值。

另请参阅

闭环PID自动调谐器