使用闭环PID自动调谐块调谐面向场的控制器

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这个例子展示了如何使用闭环PID自动调谐器块在一个仿真中调谐永磁同步电机(PMSM)的面向场控制(FOC)。

面向场控制介绍

在本例中，使用Simscape™Electrical™组件在Simulink®中对永磁同步电机(PMSM)的面向场控制(FOC)进行建模。金宝app

mdl =“scdfocmotorPIDTuning”；open_system (mdl)

磁场定向控制(FOC)将三相定子电流作为矢量控制。FOC是基于投影的，它将一个三相时间和速度相关的系统转换为两个坐标时不变系统。这些变换是Clarke变换，Park变换，以及它们各自的逆变换。这些转换在Controller_Algorithm子系统中作为块实现。

使用FOC控制交流电机的优点包括:

转矩和磁链直接和分开控制
精确的瞬态和稳态管理
与直流电动机性能相似

Controller_Algorithm子系统包含所有三个PI控制器。外环PI控制器调节电机转速。两个内环PI控制器分别控制d轴和q轴电流。外环PI控制器的命令直接馈送到q轴以控制转矩。对于永磁同步电动机，d轴的命令为零，因为转子磁链是固定的，对于这种类型的交流电动机。

现有速度PI控制器的增益P = 0.08655, I = 0.1997。当前PI控制器的增益均为P = 1和I = 200。

控制器增益存储在数据存储内存块中，并在外部提供给每个PID块。当控制器的调优过程完成时，新的调优增益被写入数据存储内存块。此配置允许您在模拟过程中实时更新控制器增益。

闭环PID自动调谐块

闭环PID自动调谐器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。对于这个FOC PMSM模型，闭环PID自动调谐块可用于三个PI控制器中的每一个。

当你想使用闭环PID自动调谐器块重新调整初始控制器时，此工作流程适用。这种方法的好处是:

如果在实验过程中出现意外扰动，将被现有控制器拒绝，以保证安全运行。
现有的控制器将通过抑制扰动信号来保持电站在其标称工作点附近运行。

在使用闭环PID自动调谐块进行模拟和实时应用时:

该对象必须要么渐近稳定(所有极点都严格稳定)，要么是积分的。自动调谐块不适用于不稳定的植物。
现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植物频率响应，尽量减少实验过程中FOC PMSM模型中任何扰动的发生。自调谐器块只期望植物输出是对注入扰动信号的响应。
由于在实验过程中反馈回路是闭合的，现有的控制器也抑制了注入扰动信号。采用闭环实验的优点是控制器能使机组运行在标称工作点附近，保持安全运行。缺点是如果目标带宽与当前带宽距离较远，则会降低频响估计的准确性。

将自动调谐器与设备和控制器连接

在PID块和所有三个PI控制器的设备之间插入闭环PID自动调谐块，如FOC PMSM模型所示。的启动/停止信号启动和停止闭环实验。当没有实验运行时，闭环PID自动调谐块表现为一个单位增益块，其中你美元信号直接传递到 $u + \ u$ ．

要查看修改后的外环控制结构，请打开Controller_Algorithm子系统。

controlSubsystem = [mdl .' / Controller_Algorithm '];open_system (controlSubsystem)

查看修改后的d轴电流控制器。改进后的q轴控制器具有相同的结构。

open_system ([controlSubsystem“/ DQ_Current_Control / D_Current_Control”])

配置Autotuner Block

将闭环PID自动调谐块与工厂模型和PID块连接后，进行整定和实验设置。

在调优选项卡，有两个主要的调优设置:

目标带宽-决定控制器的响应速度。在本例中，选择5000Rad /sec电流控制和One hundred.Rad /sec速度控制。

目标相位裕度-决定你想要的控制器有多健壮。在本例中，选择70度电流控制和90速度控制度。

在实验Tab，主要有三个实验设置:

植物类型-指定该对象是渐近稳定的还是积分的。在本例中，FOC PMSM模型是稳定的。
工厂签字—指定植物是正号还是负号。如果在标称工作点上，工厂投入的正变化导致工厂达到新的稳定状态时，工厂产出的正变化，则工厂符号为正。否则，植物标志为负。如果一个植物是稳定的，植物符号等价于其直流增益的符号。如果一个植物正在整合，那么如果植物产量持续增加(或减少)，则植物符号为正(或负)。在这个例子中，FOC PMSM模型有一个积极的植物标志。
正弦振幅—注入的正弦波振幅。在本例中，选择０．２５对于当前控制器和0.01用于速度控制器，以确保在饱和限制内适当地激励装置。如果激励幅值过大或过小，则会产生不准确的频响估计结果。

调整级联反馈循环

由于闭环PID自动调谐块一次只能调谐一个PI控制器，在FOC PMSM模型中，三个控制器必须分别调谐。先调优内环控制器，再调优外环控制器。

d轴电流控制器在1.3和1.35秒之间调谐。
q轴电流控制器在1.4和1.45秒之间调谐。
速度控制器在1.5和3.5秒之间调整。

调优每个PI控制器后，控制器增益通过数据存储内存块更新。

在正常模式下模拟自动调谐器块

在本例中，FOC PMSM模型是在Simulink中构建的。金宝app所有三个控制器都在一个模拟中调优。此外，还比较了调优控制器前后的速度响应。

FOC PMSM模型的仿真通常需要几分钟在您的计算机上由于电机的电力电子控制器的小采样时间。

Sim (mdl) logsout_autotuned = logsout;保存(“AutotunedSpeed”，“logsout_autotuned”）

总体仿真结果如下图所示。

下图显示了调优期间的电流和速度响应，从1.3秒到3.5秒。电流的变化在0．1A，电机速度的变化在2rad /秒(约1%偏差)。

三个PI控制器调整了新的增益。

速度PI控制器的增益P = 0.2785, I = 2.678。
d轴电流PI控制器的增益为P = 5.135, I = 8663。
q轴电流PI控制器的增益P = 4.59, I = 8026。

在自动调优过程前后应用相同的速度命令。在控制器使用闭环PID自动调谐块调谐之前和之后绘制速度响应。速度响应曲线及时对齐，以并排比较控制器性能。

scdfocmotorPIDTuningPlotSpeed

调整控制器后，交流电机的转速响应具有较快的瞬态响应和较小的稳态误差。

bdclose (mdl)

另请参阅

闭环PID自动调谐器