采用闭环PID自整定块设计三相整流器PID控制器

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这个例子展示了如何使用闭环PID自动调谐块来调优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控制(Simscape电气)。功率因数校正预变流器对负载的功率因数进行校正，从而提高配电系统的能效。当非线性阻抗(如开关模式电源)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400V直流稳压电源。为了确保正确表示器件导通电阻，半导体元件使用mosfet而不是理想开关建模。模型模拟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，使用投影将依赖于时间的三相电流转换为定常的两坐标矢量。这些变换是Clarke变换，Park变换，以及它们各自的逆变换。这些转换在measurement子系统中作为块实现。为了保持功率因数接近1，从电网中抽取的无功功率应该接近零。因此，从控制器命令零q轴电流可以使功率因数接近1。

在模型中，控制器有如下增益:

直流电压PI控制器:P = 2, I = 20
dq轴电流PI控制器:P = 5, 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。

对于本例，您将使用闭环PID自动调谐器块重新调整这些控制器。

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结果植物输出。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。对于这个维也纳整流器模型，闭环PID自动调谐块可用于每个控制器，如下面的直流链路电压环所示。

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，则被现有控制器拒绝，以保证安全运行。
现有的控制器通过抑制扰动信号来保持装置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装置频率响应，在实验过程中尽量减少维也纳整流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的扰动信号，当目标带宽与当前带宽距离较远时，降低了频响估计的精度。

调整级联反馈循环

由于闭环PID自动整定块一次只能整定一个PID控制器，因此在模型中四个控制器必须分别进行整定。因此，首先调优内部电流控制器，然后调优直流链路电压控制器，最后调优电压中性控制器。

模型仿真过程中:

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Autotuner Block

将闭环PID自动调谐块与设备和PID块连接后，配置每个PID块的整定和实验设置。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，电流控制选择3000 rad/s，直流链路电压控制选择400 rad/s，电压中性控制选择20000 rad/s。

目标相位裕度-决定你想要的控制器有多健壮。在本例中，为所有控制器选择60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，维也纳整流模型是稳定的。
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，植物符号相当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，维也纳整流器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，要确保植物在饱和限制内得到适当的激发，请选择0.6对于d轴控制器，0.19对于q轴控制器，1直流链路电压控制器，和0.01为电压中性控制器。如果激励幅值过大或过小，将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调优。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 = 金宝appSimulink。SimulationOutput: logsout: [1x1 金宝appSimulink.SimulationData.]数据集]tout: [4000001x1 double] SimulationMetadata: [1x1 Simul金宝appink。SimulationMetadata] ErrorMessage: [0x0 char]

下图显示了电流和电压控制器从0.65秒调优到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，随后在1.7秒时引入电压中性控制器调谐。

open_system (“PWM_Rectifier_Vienna_SC /范围/范围”）

四个控制器与新的增益调谐。

直流链路电压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

下图显示了调优控制器之前和之后的直流链路电压响应与参考的比较。在0.7秒和1.1秒引入不平衡负载后，原控制器(红色)无法维持DC-link电压。另一方面，自调谐控制器以最小的超调量降低了上升时间，并有很好的稳定时间到稳态值。

另请参阅

闭环PID自动调谐器