開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)辨識 小組成員：王皓辰 肖連翹 張海波 高翱 呂輝 張從哲 段良琛 什么是開環(huán)與閉環(huán) 開環(huán)控制系統(tǒng)：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當(dāng)前控制的系統(tǒng) 舉例：打開燈的開關(guān) 按下開關(guān)后的一瞬間，控制活動已經(jīng)結(jié)束，燈是 否亮起已對按開關(guān)的這個(gè)活動沒有影響；投籃 籃球出手后就無法再繼續(xù) 對其控制，無論球進(jìn)與否，球出手的一瞬間控制活動即結(jié)束反饋環(huán)節(jié)一個(gè)沒 有反饋環(huán)節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制是根據(jù)控制對象輸出反饋來進(jìn)行校正的控制方式， 它是在測量出實(shí)際與計(jì)劃發(fā)生偏差時(shí)，按定額或標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行糾正的。閉環(huán)控 制，從輸出量變化取出控制信號作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，一般 這個(gè)取出量和輸入量相位相反，所以叫負(fù)反饋控制，自動控制通常是閉環(huán)控 制。比如家用空調(diào)溫度的控制 兩者區(qū)別是什么 ? 1、有無反饋； 2、是否對當(dāng)前控制起作用。開環(huán)控制一般 是在瞬間就完成的控制活動，閉環(huán)控制一 定會持續(xù)一定的時(shí)間，可以借此判斷饋環(huán) 節(jié) 開環(huán)控制系統(tǒng) 控制過程中，沒有反饋環(huán)節(jié)，不能對 控制結(jié)果加以修正、調(diào)節(jié)。是個(gè)單程 的控制流向。這種控制，稱為開環(huán)控 制。以投籃為例。 方框流程圖 大腦 控 制 信 號 手臂 ,肢體 籃球 控 制 量 籃 球 落 點(diǎn) 開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 按時(shí)序控制的系統(tǒng) 控制過程始終是隨時(shí)間的前進(jìn)而前進(jìn)的， 沒有回頭。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 控制過程中有反饋環(huán)節(jié)可以把控制結(jié)果反 饋回來與期望值進(jìn)行比較 ,并根據(jù)它們的誤 差及時(shí)調(diào)整控制作用，控制流向形成了閉 合回路 閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 控制器 （ 電子或微機(jī) 控制裝置 ） 被控對象 （ 加熱爐 ） 被控量 （ 爐內(nèi)溫度 ） 給定量 （ 設(shè)定的溫度 ） 檢測裝置 （熱電偶） 控制量 （ 電壓 ） 比較器 加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng) 執(zhí)行器 （加熱器） 其他閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 值得一提的是，復(fù)雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動控 制。汽車的駕駛就是一個(gè)常見的實(shí)例：汽車沿著道路行 駛，必須有人的操控，從控制的角度看，屬于人工控制， 這時(shí)我們是將人與車作為一個(gè)整體，看成一個(gè)系統(tǒng)。駕 駛員通過操控方向盤、油門、剎車等機(jī)構(gòu)，控制車輛行 駛的狀態(tài)；同時(shí)，駕駛員還通過視覺，查看車輛與前方 道路或障礙物的位置關(guān)系信息，根據(jù)這一信息不斷修正 自己的操作，使車輛按照預(yù)定的路線軌跡行駛。在這一 過程中，駕駛員通過視覺獲取的信息就是反饋量，因此 屬于閉環(huán)控制。 特點(diǎn) 1、有反饋； 2、會調(diào)整； 3、被控量會被控制在一定的值 結(jié)果穩(wěn)定 ； 4、“結(jié)果”會影響“結(jié)果”； 5、給定量與被控量是可比較的同一種性質(zhì)的 量。 系統(tǒng)辨識 辨識的定義 L. A. Zadeh曾給辨識下過這樣的定義： “辨識就是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從 一組給定的模型類中，確定一個(gè)與所測系統(tǒng) 等價(jià)的模型。” 三要素： 輸入輸出數(shù)據(jù)（辨識的基礎(chǔ)） 模型類（尋找模型的范圍） 等價(jià)準(zhǔn)則（辨識的優(yōu)化目標(biāo)） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 參 數(shù) 建 模 和 參 數(shù) 估 計(jì) 等價(jià)準(zhǔn)則選擇 模型類選擇 模型驗(yàn)證 先驗(yàn)知識 是 ： 接受模型 否 ： 修改模型 系統(tǒng)辨識 辨識的基本原理 為了得到模型參數(shù)的估計(jì)值，通常采用逐步逼近的 辦法 辨識表達(dá)式 0 模型 辨識算法 + + + - )( kz )( kz )( ke )( ky )( kh )( kz )( k 過程 辨識的分類 離線辨識、在線辨識 非參數(shù)模型辨識、參數(shù)模型辨識 非參數(shù)模型辨識（經(jīng)典辨識）：假定過程是線性 的前提下不必事先確定模型具體結(jié)構(gòu)。階躍響應(yīng)、 脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)分析、譜分析等 參數(shù)模型辨識（現(xiàn)代辨識）：必須假定一種模型 結(jié)構(gòu)，通過極小化誤差準(zhǔn)則來確定模型參數(shù)。最小 二乘類法、梯度校正法、極大似然法等 辨識的內(nèi)容： 步驟： 根據(jù)辨識目的，利用 先驗(yàn)知識，初步確立 模型結(jié)構(gòu) 采集數(shù)據(jù) 進(jìn)行模型參數(shù)和結(jié) 構(gòu)辨識 驗(yàn)證，獲得 最終模型。 辨識目的和先驗(yàn)知識 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 模型類型和結(jié)構(gòu) 獲取輸入輸出數(shù)據(jù) 模型參數(shù)估計(jì) 模型驗(yàn)證 最終模型 滿意 不滿意 閉環(huán)辨識與開環(huán)辨識 closed-loop system identification 在閉環(huán)條 件下確定開環(huán)系統(tǒng) (或正向通道 )的動態(tài)性。一般 的系統(tǒng)辨識方法都是針對開環(huán)控制系統(tǒng)的，于閉 環(huán)控制系統(tǒng)的辨識，主要是指根據(jù)閉環(huán)操作所得 的數(shù)據(jù)，在什么條件下可以辨識和如何辨識系統(tǒng) 的正通道參數(shù)的問題。穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)對于不同 反饋?zhàn)饔幂斎胄盘柨赡苡袔缀跸嗤妮敵鲂盘枺?因此閉環(huán)系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)所提供的信息比開 環(huán)的少。所以閉環(huán)誤差大于開環(huán)辨識。 （實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證） 【 閉環(huán)辨識的重要性 】 1.不能輕易切斷過程的反饋回路，否則可能造成過 程失控，嚴(yán)重影響運(yùn)行。 2.自適應(yīng)控制問題時(shí)，辨識跟控制是有機(jī)結(jié)合的， 這時(shí)辨識一定要在閉環(huán)情況下進(jìn)行，以便隨時(shí)修 改控制規(guī)律。 3.系統(tǒng)本身就存在著內(nèi)在的，固有的反饋，因?yàn)樗?們是內(nèi)部存在的是客觀的，無法解除的。 Kp 比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（ Vmin/r） nnn UUU * npc UKU nU n csd UKU 0 e d0d C RIUn 測速反饋環(huán)節(jié) 電壓比較環(huán)節(jié) 比例調(diào)節(jié)器 電力電子變換器 直流電動機(jī) 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 式中 : 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開 后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的 電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積 。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 靜特性 表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 * ( 1 / ) ( 1 ) ( 1 ) p s n d p s n d e p s e e e K K U I R K K U RIn C K K C C K C K e sp C KKK 靜特性方程式 ： 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 4.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 熱交換器辨識實(shí)驗(yàn) 在仿真的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的蒸汽 水熱交 換機(jī)進(jìn)行開環(huán)與閉環(huán)辨識實(shí)驗(yàn)，輸入跟輸出信號 都采用工業(yè)儀表測量記錄。 熱交換機(jī)外形尺寸： 200 1400 換熱面積： 2M 內(nèi)管尺寸： 12 1.5 共 24根，分成四程 材料：全部碳鋼 2 熱交換器實(shí)驗(yàn)流程圖 辨識通道：從蒸汽閥門定位器的輸入電流 （ mA）至冷水出口溫度（ C） 冷水流量： 2100升 /小時(shí) 飽和蒸汽閥前壓力： 1.5kg/cm 開環(huán)辨識工作點(diǎn)：蒸汽閥門定位器電流 5.3 （ mA） 冷水出口溫度 67.0（ C ） 閉環(huán)辨識工作點(diǎn)：蒸汽閥門定位器的輸入電流 5.5（ mA），冷水出口溫度 65.0 （ C ） 過程調(diào)整時(shí)間 T =195s 采樣時(shí)間 t=15s，數(shù)據(jù)采樣 300個(gè)周期。 本實(shí)驗(yàn)采用目標(biāo)函數(shù)試驗(yàn)的方式來確定模型階 數(shù)： 目標(biāo)函數(shù) V(n)=et(n)e(n) 開環(huán)與閉環(huán)的目標(biāo)函數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如下 ； 所以 d=1， n=3，是最合適的模型結(jié)構(gòu)，因?yàn)橼呌?平緩，參數(shù)少又不失準(zhǔn)確性。（左開右閉） 所以模型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是： 該結(jié)構(gòu)估計(jì)的熱交換器模型參數(shù)示于下圖 從上表數(shù)據(jù)中，我們根據(jù)下面的公式（相對均方 根誤差），可以得出 熱交換器閉環(huán)和開環(huán)辨識的模型誤差分別為 0.1392和 0.0189。閉環(huán)模型誤差雖然比開環(huán)辨識大一些，但數(shù) 值仍然很小，因而兩者都可以用于過程的動態(tài)控制。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)辨識，可以得到與 開環(huán)辨識相近的過程模型且不會引起過程輸入輸出 大的波動，也不會危及閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而是 最適宜于工業(yè)生產(chǎn)過程應(yīng)用的閉環(huán)辨識實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)。 按此實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模熱交換器的閉環(huán)辨 識，得到的過程模型，雖然比開環(huán)辨識模型稍大， 但足可以用于過程控制。 由于閉環(huán)辨識能確保生產(chǎn)過程的安全，使用工業(yè)儀 表即能獲得具有足夠精度的過程控制模型，離線計(jì) 算簡便迅速，因此可以預(yù)見將會在工業(yè)生產(chǎn)過程中 得到廣泛的應(yīng)用，成為設(shè)計(jì)控制發(fā)難和控制算法的 方便工具。 結(jié)束語： 開環(huán)與閉環(huán)，作為自動控制中的兩 大基本控制方式，廣泛的運(yùn)用于各種 行業(yè)，各種形式的自動控制中。而閉 環(huán)辨識，更是以其出色的控制效果， 為現(xiàn)代社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 參考資料： 閉環(huán)系統(tǒng)的辨識 閉環(huán)辨識與開環(huán)辨識的比較及應(yīng)用 閉環(huán)辨識與開環(huán)辨識的仿真比較 謝謝觀看！