文档介绍：SABER 与控制系统仿真
1. 应用背景
为什么要使用控制系统仿真
对于 SABER 强大的电路仿真功能我们已经有所了解,在模块电
路中,我们的反馈控制方法通常比较简单,一般就是一些电阻和电容的组合,但
是对更为复杂的控制模式,控制参数的定义难以用模拟电路组合实现,指标间的
对应关系也不直观,应用控制系统仿真,便于直观理解以便优化指标,便于转化
到数字实现(DSP),而且可以实现一些复杂的控制方式(例如三相系统中常用的
静止和旋转的坐标变换)
SABER 在控制系统仿真的优势和制约
优势: SABER 作为混合仿真系统,可以兼容模拟,数字,控制量
的混合仿真,便于在不同层面上分析和解决问题,其他仿真软件不具备
这样的功能。
制约:不支持离散系统的频域分析,以及状态方程的分析方法。
控制系统仿真应用范围
主要应用在变频器,UPS,以及未来的数字化电源系统的控制算法设计
部分。
2. 基本方法
控制流原则
在控制系统仿真中用到的模型有两个特点:
1、它们都是无量纲的数值,不论电流,电压,速度,角度,
在进行控制系统仿真之前都必须转化为无量纲的数字,因
为对于控制处理机构而言,它只关心分析对象的数学行
为,这是为了进行统一的分析。
2、信号流向是单相的,必须从一个模型的输出(out)口流入
到另外一个模型的输入端口,不能颠倒。而模拟电路器件
的端口是不区分类别的,信号可以从断口流出也可以流
入,只有正负号不同。为了解释这个问题,我们看一个例
子如下。
上图中左边和右边分别是一个 RC 并联电路在电路仿真和控制系统仿
真中的描述,在控制系统中用一个积分环节表示电容,对于电路中的电容
模型,我们可以以电压或者电流任何一个作为输入量求解另外一个,而在
控制系统一旦确定模型方式,输入量就唯一确定,在该例子中选用积分环
节,则输入只能是电流才能够描述电容行为,输入如果是电压量,则描述
的就是一个电感了。这也说明控制系统的模型具有普遍的应用性。
基本模型类别
首先我们以一个例子来看看控制系统中常用的有哪些模型:
这是一个双环控制的半桥 PFC 的控制模型仿真图,图中用虚线框住的
部分为主电路等效,下面部分为控制电路等效。其中包含模型如下:
信号源模型: 如图所示
控制系统仿真中的信号源类型(例如正弦,三角)
以及赋值方法与电路仿真中一样,不同的是两点:
它只有一个输出端口,必须接到其他模型的输入
端口,
它无量纲,可以描述各种同样数学行为的物理量,
比如正弦信号可以是电压也可以是电流。
信号结合模型:
控制系统中最常见的就是对于信号进行比较,并对比较结果进行处
理。在这个例子中有以下模型
左边的信号比较,右边的是信号相乘,这可能是控制系统分析中用
的最多的两种型号结合方式,信号比较用于误差信号生成(和基准信号比
较),信号相乘用于调制(PFC 中的乘法器),SABER 还提供了用于坐标
变换的正弦信号结合,以后会介绍。
误差信号处理模型:
这是 SABER 控制系统仿真中的核心部分,对于连续系统,和离散系统有
不同类别,后面将以实例逐步介绍,这里先由下图简单说明一下
图中右边的方框是一个 PI 调节器的模型,我们可以定义器比例和积分
参数。SABER 还提供了微分滞后,以及由多项式定义的传递函数模型。那个三
角形是代表增益控制,以上属于线性控制。最右边的是限幅函数,用于防止控
制信号的溢出,属于非线性控制。
接口模型:
在控制系统和模拟系统混合仿真的时候实现信号类型转换,后面介绍。
以上这些模型,均可以在器件模型库的“控制系统—〉连续函数”部分
查找
基本仿真方法
应用控制系统模型仿真有什么好处呢?我们以其对应的模拟电路为
例,见下图:
这是一个 UC3854 控制的半桥 PFC,运用控制系统平均模型的电路,
有以下好处
在不影响分析对象的前提下速度大大提高
上图是我们运用控制系统模型仿真的电感电流和输出电压,与模拟
电路仿真结果基本一致,(由于是平均线性模型,也会有差异,例如纹
波特性),但是速度只有模拟电路仿真的 1/1000。
分析对象明确,便于频域分析
控制系统仿真对象是控制参数优化,速度的提高对于选择不同参数
反复优化很有好处。由于忽略了与控制无关环节的影响,查找问题也容
易定位。我们知道,开关电源是强非线