Ovaj članak započinje seriju članaka posvećenih automatiziranim metodama za podešavanje PID regulatora u okruženju Simulink. Danas ćemo shvatiti kako raditi s aplikacijom PID Tuner.
Uvod
Najpopularniji tip regulatora koji se koristi u industriji u regulacijskim sustavima zatvorene petlje mogu se smatrati PID regulatorima. A ako se inženjeri sjećaju strukture i principa rada regulatora iz studentskih dana, onda je njegova konfiguracija, tj. izračun koeficijenata regulatora još uvijek predstavlja problem. Postoji ogromna literatura, kako strana (npr. [1, 2]), tako i domaća (npr. [3, 4]) u kojoj se podešavanje regulatora objašnjava prilično kompliciranim jezikom teorije automatskog upravljanja.
Ova serija članaka opisat će automatizirane načine podešavanja PID regulatora pomoću Simulink alata kao što su:
- PID tuner
- Optimizator odgovora
- Tuner upravljačkog sustava,
- PID tuner temeljen na frekvencijskom odzivu,
- Autotuner PID zatvorene petlje.
Objekt sustava upravljanja bit će električni pogon baziran na istosmjernom motoru pobuđenom permanentnim magnetima, koji radi zajedno s mjenjačem za inercijsko opterećenje, sa sljedećim parametrima:
- napon napajanja motora, ;
- aktivni otpor namota armature motora, ;
- induktivna reaktancija namota armature motora, ;
- koeficijent momenta motora, ;
- moment inercije rotora motora, .
Parametri opterećenja i mjenjača:
- moment inercije tereta, ;
- Omjer prijenosa, .
Članci praktički ne sadrže matematičke formule, no poželjno je da čitatelj ima osnovna znanja iz teorije automatskog upravljanja, kao i iskustvo u modeliranju u okruženju Simulink za razumijevanje predloženog materijala.
Model sustava
Razmotrimo linearni sustav upravljanja kutnom brzinom servo električnog pogona, čiji je pojednostavljeni blok dijagram prikazan u nastavku.
U skladu sa zadanom strukturom izgrađen je model takvog sustava u okruženju Simulink.
Modeli električnog pogona (Electric actuator subsystem) i inercijalnog opterećenja (Load subsystem) izrađeni su pomoću blokova knjižnice fizičkog modeliranja :
- model električnog pogona,
- model inercijalnog opterećenja.
Modeli električnog pogona i opterećenja također uključuju senzorske podsustave različitih fizičkih veličina:
- struja koja teče u namotu armature motora (podsustav A),
- napon na njegovom namotu (podsustav V),
- kutna brzina objekta upravljanja (podsustava Ω).
Prije postavljanja parametara PID regulatora, pokrenimo model za proračun, prihvaćajući prijenosnu funkciju regulatora . Rezultati simulacije za ulazni signal od 150 o/min prikazani su u nastavku.
Iz analize gornjih grafikona jasno je da:
- Izlazna koordinata upravljačkog sustava ne doseže zadanu vrijednost, tj. Postoji statička greška u sustavu.
- Napon na namotima motora na početku simulacije doseže vrijednost od 150 V, što će dovesti do njegovog kvara zbog dovođenja napona većeg od nazivnog (24 V) na njegove namote.
Neka odgovor sustava na jedan impuls mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:
- prekoračenje (prekoračenje) ne više od 10%,
- Vrijeme porasta manje od 0.8 s,
- Prijelazno vrijeme (vrijeme taloženja) manje od 2 s.
Osim toga, regulator mora ograničiti napon koji se dovodi do namota motora na vrijednost napona napajanja.
Postavljanje kontrolera
Parametri regulatora se konfiguriraju pomoću alata , koji je dostupan izravno u prozoru parametara bloka PID regulatora.
Aplikacija se pokreće pritiskom na gumb Ugodi…koji se nalazi na ploči Automatizirano ugađanje. Važno je napomenuti da je prije izvođenja faze podešavanja parametara regulatora potrebno odabrati njegov tip (P, PI, PD, itd.), kao i njegov tip (analogni ili diskretni).
Budući da je jedan od zahtjeva da se ograniči njegova izlazna koordinata (napon na namotu motora), treba specificirati dopušteni raspon napona. Za ovo:
- Idi na karticu Izlazna zasićenost.
- Kliknite gumb zastavice Ograničite izlaz, uslijed čega se aktiviraju polja za postavljanje gornje (Gornja granica) i donje (Donja granica) granice raspona izlazne vrijednosti.
- Postavite granice raspona.
Ispravan rad regulacijske jedinice kao dijela sustava uključuje korištenje metoda usmjerenih na borbu protiv integralnog zasićenja. Blok implementira dvije metode: povratni izračun i stezanje. Detaljne informacije o ovim metodama nalaze se . Padajući izbornik za odabir metode nalazi se na ploči Anti-wind.
U ovom slučaju, u polja ćemo napisati vrijednosti 24 i -24 Gornja granica и Donja granica u skladu s tim, a također koristite metodu stezanja kako biste eliminirali integralno zasićenje.
Možda ćete primijetiti da se izgled bloka regulatora promijenio: pojavio se znak zasićenja pored izlaznog priključka bloka.
Zatim prihvatite sve promjene pritiskom na gumb primijeniti, vratite se na karticu Glavni i nazimaem gumb Ugodi…, što će otvoriti novi prozor aplikacije PIDTuner.
U grafičkom području prozora prikazana su dva prolazna procesa: s trenutnim parametrima regulatora, tj. za nekonfigurirani regulator i za automatski odabrane vrijednosti. Nove vrijednosti parametara mogu se vidjeti klikom na gumb Prikaži parametrekoji se nalazi na alatnoj traci. Pritiskom na gumb pojavit će se dvije tablice: odabrani parametri regulatora (Controller Parameters) i ocjene karakteristika prijelaznog procesa s odabranim parametrima (Performance i Robustness).
Kao što se može vidjeti iz vrijednosti druge tablice, automatski izračunati koeficijenti regulatora zadovoljavaju sve zahtjeve.
Podešavanje regulatora završava se pritiskom na gumb sa zelenim trokutićem koji se nalazi desno od gumba Prikaži parametre, nakon čega će se nove vrijednosti parametara automatski promijeniti u odgovarajućim poljima u prozoru postavki parametara bloka PID regulatora.
Dolje su prikazani rezultati simulacije sustava s podešenim regulatorom za nekoliko ulaznih signala. Pri visokim razinama ulaznog signala (plava linija), sustav će raditi u načinu zasićenja naponom.
Imajte na umu da alat PID Tuner odabire koeficijente regulatora na temelju lineariziranog modela, pa je pri prijelazu na nelinearni model potrebno razjasniti njegove parametre. U tom slučaju možete koristiti aplikaciju .
Književnost
- Priručnik pravila za podešavanje PI i PID regulatora. Aidan O'Dwyer
- Dizajn PID sustava upravljanja i automatsko podešavanje pomoću MATLAB-a, Simulink. Wang L.
- PID regulacija u nestrogom obliku. Karpov V.E.
- PID regulatori. Problemi s provedbom. Dijelovi 1, 2. Denisenko V.
Izvor: www.habr.com