基于频响数据的电力电子模型控制器设计
本示例展示了如何使用Simscape™Electrical™组件为Simulink®建模的电力电子系统设计PID控制器。金宝app
通常,电力电子系统不能线性化,因为它们使用高频开关组件,如脉宽调制(PWM)发生器。然而,大多数Simulink金宝app®Control Design™PID整定工具基于线性化的工厂模型设计PID增益。若要获得无法线性化的电力电子模型的此类模型,您可以:
如本例所示,估计一个频率范围内的植物频率响应。
使用系统识别工具箱™软件估计工厂线性模型的参数。举个例子,利用模拟I/O数据设计电力电子模型控制器.
升压变换器模型
本例使用升压转换器模型作为电力电子系统的示例。升压转换器电路通过控制源电压的斩波或开关,将一个直流电压转换为另一个,通常是更高的直流电压。
mdl =“scdboostconverter”;open_system (mdl)
在该模型中,由脉宽调制(PWM)信号驱动的MOSFET用于开关。输出电压是否应该调节到参考值.数字PID控制器调节PWM占空比,,基于电压误差信号。对于本例,您估计从PWM占空比到负载电压的频率响应.
Simscape电气软件包含许多电力电子系统的预定义块。该模型包含一个带有两个版本升压转换器模型的变体子系统:
采用电力元件构造的升压变换器电路。电路元件的参数以[1]为基础。
升压转换器块配置为具有与升压转换器电路相同的参数。有关此块的详细信息,请参见提高转换器(Simscape电气).
寻找模型工作点
要为升压变换器设计控制器,首先必须确定变换器工作的稳态工作点。有关查找工作点的更多信息,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,请使用模型线性化电路.打开模型线性化电路,在Simulin金宝appk模型窗口中,在应用程序选项卡上,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,在操作点下拉列表,选择拍摄模拟快照.
在“输入要线性化的快照时间”对话框中,在模拟快照时间字段中,输入0.045
,这段时间足以使闭环系统达到稳态。
点击采取快照.
该软件模拟模型并创建一个操作点,其中包含模型在指定快照时间的输入和状态值。这个工作点,op_snapshot1
,则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,并单击好吧.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。
收集频率响应数据
在收集频率响应数据之前,必须首先指定要为其查找频率响应的模型部分。在本例中,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。有关定义正流输入信号的详细信息,请参见输入信号.
在估计选项卡,在输入信号下拉列表,单击固定采样时间.
在“指定固定采样时间”对话框中指定样品时间的5 e-6
秒。Sinestream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流输入”对话框中,配置正流信号的参数。
指定用于估计的频率单位。在频率的单位下拉列表,选择赫兹
.
对于本例,频率响应估计可以对每个频率使用一次模拟,也可以对所有频率使用一次模拟。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,您可以通过选择加快频率响应估计每个模拟一个频率并启用并行池进行估计。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估计过程中使用并行池.
要指定估计工厂响应的频率,请单击+
图标。
在“添加频率”对话框中指定15
对数间隔的频率范围从50赫兹
来5 kHz
.
点击好吧.
为确保系统被正确激励,在所有频率上设置振幅。如果输入幅值太大,升压变换器将在间断电流模式下工作。如果输入幅度太小,正弦流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率响应估计结果。
要设置振幅,首先选择图区域中的所有频率。然后,在振幅字段,类型0.01
.
保持所有其他实流设置为默认值。
单击,创建正流信号好吧.
该模型将时变的线路和负载扰动建模为阶跃函数,将干扰频响估计。若要在模拟过程中保持这些干扰不变,请单击更多的选择.然后,在“频率响应估计的选项”对话框中,对时变源选项卡上,单击自动查找和添加随时间变化的源块.
为了估计和绘制频率响应,在估计选项卡上,单击波德.
该软件估计频率响应,并显示结果博德地块1.频率响应使用离散点绘制,并显示在1200和1600 rad/s之间的峰值响应。
要调优PID控制器,必须将频率响应导出到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.
指定控制器结构
在整定PID控制器块之前使用PID调谐器时,必须首先指定控制器结构。为此,双击PID控制器块。然后,设置控制器参数如下:
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、输出饱和水平和防上卷配置
对于本例,使用当前控制器配置;即一种无防上紧的离散并联式PID控制器。
使用PID调谐器,可调优以下控制器块参数:
如果您的模型使用Simscape电气离散PI控制器(Simscape电气)块或离散PI控制器与积分防清盘(Simscape电气)块,在整定之前,必须将此块替换为PID控制器块。
优化控制器
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分量,模型解析线性化为零。
对于本例,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,下创建一个新植物,点击进口.
在获取植物模型对话框,选择导入LTI系统,在表格中选择estsys1
.
点击进口.
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。如需查看频率响应,单击添加图,及以下波德,点击开环
.
关闭步骤图文档。
Bode图显示块响应(虚线)和调优响应(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优化,在频域设计控制器。在域下拉列表,选择频率
.
对于本例,设置带宽而且阶段保证金到9425 rad/s (1.5 kHz)和60°,根据[1]中规定的设计标准。
PID调谐器选择符合这些设计规格的控制器参数。
要查看调优后的控制器参数和性能指标,包括增益和相位裕度,请单击显示参数.调谐结果具有无限增益裕度和65度相位裕度,在大约9425 rad/s。
要更新PID控制器块与调谐增益,单击更新块.
验证控制器
您可以使用具有线路和负载扰动的模拟来检查调优的控制器性能。为了检验控制器的动态性能,Simulink模型使用了以下扰动:金宝app
t = 0.075秒时的线路扰动会增加输入电压,,从5V到10V。
在t = 0.1秒时的负载扰动,增加了负载阻力,从3欧姆到6欧姆。
模拟模型。
该控制器能很好地抑制线路和负载扰动。
参考文献
[1]李宗伟电压型升压变换器的实用反馈回路分析申请报告编号SLVA633。德州仪器。2014年1月。www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf