基于闭环PID自整定块的异步电机面向场控制器的整定

这个示例使用:

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这个例子展示了如何在一个模拟中使用闭环PID自动调优块来调优异步机器(ASM)的面向场控制(FOC)。

面向场控制介绍

在本例中，异步电机(ASM)的面向场控制(FOC)是在Simulink®中使用Simscape™electric™组件建模的。该模型基于Simscape示例带传感器控制的三相异步驱动(Simscape电气)．

mdl =“scdfocasmPIDTuning”；open_system (mdl)

磁场定向控制控制三相定子电流作为一个矢量。FOC是基于投影的，它将一个三相时速相关系统转化为一个两坐标时不变系统。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Controls子系统中作为块实现。

使用FOC控制交流电机的优点包括:

转矩和磁通直接和分开控制
精确的暂态和稳态管理
与直流电动机相比，性能相似

Controls子系统包含所有四个PI控制器。外环转速PI控制器调节电机转速。外环磁链PI控制器对定子磁链进行调节。两个内环PI控制器分别控制d轴和q轴电流。由外环速度PI控制器发出的指令直接传递给q轴来控制转矩。d轴的命令对于ASM是非零的，是外环通量PI控制器的结果。

现有的PI控制器有以下优点:

Speed PI控制器增益P = 65.47, I = 3134.24。
Flux PI控制器的增益P = 52.22, I = 2790.51。
d轴PI控制器的增益P = 1.08, I = 207.58。
q轴PI控制器的增益P = 1.08, I = 210.02。

控制器增益存储在数据存储内存块中，并对外提供给每个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自动调优块允许您一次调优一个PID控制器。该方法在器件输入端注入正弦扰动信号，并在闭环实验中测量器件输出。当实验停止时，块根据在期望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 ASM模型，闭环PID自动调谐器块可以用于四个PI控制器中的每一个。

当你有初始控制器，你想使用闭环PID自动调优块重新调整时，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了意想不到的干扰，现有的控制器将对其进行拒绝，以保证安全运行。
现有的控制器通过抑制扰动信号，使机组运行在其标称工作点附近。

当使用闭环PID自动调谐块进行仿真和实时应用时:

植物必须要么渐近稳定(所有极点都严格稳定)要么积分。自动调谐块对不稳定的设备不起作用。
与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的频率响应，尽量减少实验过程中对FOC ASM模型的干扰。自调谐块只期望装置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，现有的控制器对注入的扰动信号也有抑制作用。采用闭环实验的优点是控制装置运行在标称工作点附近，保持安全运行。缺点是，如果您的目标带宽远离当前带宽，它降低了频响估计的准确性。

将自动调谐器与设备和控制器连接

在所有四个PI控制器的PID块和工厂之间插入闭环PID Autotuner块，如FOC ASM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自动调谐器块的行为就像一个单位增益块，其中你美元信号直接传递到 $u + \Delta u$ ．

查看带有四个PI控制器的机器端转换器的原始控制结构。

为了修改控制结构，将闭环PID自动调谐块合并到每个PI控制器。查看修改后的机器端转换器控制结构。

配置自动调谐块

将闭环PID Autotuner块与工厂模型和PID块连接后，配置整定和实验设置。

在调优选项卡，有两个主要的调优设置:

目标带宽-确定您希望控制器的响应速度。在本例中，选择5000Rad /sec内回路电流控制和200Rad /秒外环控制。

目标阶段保证金-确定您希望控制器的健壮程度。在本例中，选择70内环电流控制度和90外环控制度。

在实验选项卡，主要有三个实验设置:

植物类型-指定对象是渐近稳定还是可积分的。在本例中，FOC ASM模型是稳定的。
工厂签字—指定植物是正号还是负号。如果在标称工作点处植物输入的正变化导致植物达到新的稳态时植物输出的正变化，则植物符号为正。否则，植物符号为负。如果一个器件是稳定的，器件的符号就等于它的直流增益的符号。如果一个植株正在整合，如果植株产量持续增加(或减少)，则植株符号为正(或负)。在这个例子中，FOC ASM模型有一个正的植物标志。
正弦振幅—输入正弦波的振幅。在本例中，选择０．２５对于内循环控制器和0.01对于外环控制器，以确保在饱和限制内适当激励装置。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。

调优级联反馈循环

因为闭环PID自动调谐器块一次只能调谐一个PI控制器，所以FOC ASM模型中四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3.5到3.55秒之间调节。
q轴电流控制器调节在3.6和3.65秒之间。
通量控制器在3.7和4.7秒之间调整。
速度控制器在4.8和5.8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。

模拟正常模式下的自动调谐块

在本例中，FOC ASM模型是在Simulink中构建的。所有四个控制器都在一个模拟中进行调优。此外，速度响应比较前后调优控制器。测试场景包括加速过程和扭矩负载变化(大小为1 p.u.)。

由于电机的电力电子控制器的采样时间较短，在计算机上模拟FOC ASM模型通常需要几分钟。

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

下图为整体仿真结果。

上图中的灰色区域显示了从3.5秒到5.8秒调谐期间的电流和速度响应。电流和电机转速的变化是非常小的。电机转速达到公称1600在自动调优过程开始之前的RPM。

四个PI控制器与新的增益调谐。

速度PI控制器的增益P = 158.8, I = 2110。
通量PI控制器的增益P = 129.3, I = 1732。
d轴PI控制器的增益P = 1.611, I = 627.6。
q轴PI控制器的增益P = 2.029, I = 829.9。

相同的转子转速参考和扭矩负载应用之前和之后的自动调谐过程。画出转子转速误差相对于公称1600使用闭环PID自动调谐块调优控制器前后的rpm。速度误差曲线及时对齐，以比较控制器的性能并排。

scdfocasmPIDTuningPlotSpeed

控制器调优后，异步电机的速度响应在加速和转矩负载变化时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