基于频率响应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®中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元件，如脉宽调制(PWM)发生器。然而，大多数Simulink金宝app®Control Design™PID调谐工具基于线性化工厂模型设计PID增益。要获得不能线性化的电力电子模型的这样一个模型，您可以:
在此示例中所示的频率范围内估计设备频率响应。
使用System Identification Toolbox™软件估计工厂线性模型的参数。举个例子，基于模拟I/O数据的电力电子模型控制器设计。
升压变换器模型
这个例子使用升压转换器模型作为电力电子系统的一个例子。升压变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
应该调到参考值吗
。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模块。该模型包含一个变体子系统，具有两个版本的升压转换器模型:
利用电力元件构成的升压转换器电路。电路元件参数以[1]为基准。
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。有关此块的更多信息，请参见提高转换器(Simscape电气)。
寻找模型工作点
要设计升压变换器的控制器，必须首先确定要使变换器工作的稳态工作点。有关查找操作点的更多信息，请参见寻找Simscape模型的稳态工作点。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次数”对话框中，在模拟快照时间字段中,输入0.045，使闭环系统有足够的时间达到稳态。
点击采取快照。
该软件模拟该模型并创建一个工作点，该工作点包含该模型在指定快照时间的输入值和状态值。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，请双击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，并按好吧。该软件将工作点导出到MATLAB®工作区，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详细信息，请参见正弦流输入信号。
在估计选项卡，在输入信号下拉列表，单击固定采样时间正弦流。
在“指定固定采样时间”对话框中，指定采样时间样品时间的5 e-6秒。正弦流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，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中，选择默认选项所有频率的单次仿真。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次模拟一个频率并启用并行池进行估计。要启用并行池，请在估计选项卡上,单击更多的选择，然后在对话框中选择在估计期间使用并行池。
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对数间隔频率范围从50赫兹来5 kHz。
点击好吧。
为确保系统正确激励，在所有频率上设置幅值。如果输入幅度太大，升压变换器将工作在断流模式。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，首先选择绘图区域内的所有频率。然后，在振幅字段,类型0.01。
将所有其他sinestream设置保留为默认值。
要创建正弦流信号，请单击好吧。
该模型将时变的线路和负载扰动建模为阶跃函数，这些扰动会干扰频率响应估计。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，单击时变源选项卡上,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。频率响应使用离散点绘制，并显示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
在调整PID控制器块之前使用PID调谐器，必须首先指定控制器结构。为此，双击PID Controller块。然后输入控制器参数:
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、输出饱和水平和防停机配置
在本例中，使用当前控制器配置;即一种不带反绕组的离散时间并联型PID控制器。
使用PID调谐器，可对以下控制器块的参数进行调优:
如果您的模型使用Simscape electric离散PI控制器(Simscape电气)块或具有积分抗绕组的离散PI控制器(Simscape电气)块，在调整之前必须用PID控制器块替换此块。
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元件，模型解析线性化为零。
对于本例，您将使用估计的频率响应数据作为工厂模型来调优控制器。导入频响数据，在PID调谐器选项卡上,单击植物，然后，下面创建一个新植物,点击进口。
在获取植物模型对话框中，选择导入LTI系统，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。单击，查看频率响应添加图，以及波德,点击开环。
关闭步骤图文档。
Bode图显示了块响应(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。
为了在带宽和相位裕度方面调整控制器，需要在频域中设计控制器。在域下拉列表，选择频率。
在本例中，设置带宽和阶段保证金到9425 rad/s (1.5 kHz)和60度，分别根据[1]中规定的设计标准。
PID调谐器选择符合这些设计规范的控制器参数。
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，请单击显示参数。调谐结果在9425 rad/s左右具有无限增益裕度和65°相位裕度。
要使用调谐增益更新PID控制器块，请单击更新块。
验证控制器
您可以使用具有线路和负载干扰的仿真来检查调整后的控制器性能。为了检查控制器的动态性能，Simulink模型使用以下干扰:金宝app
t = 0.075秒时的线路扰动，使输入电压增大;
，从5V到10V。t = 0.1秒时的负载扰动，使负载阻力增大;
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的干扰。
参考文献
李，S. W.;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
