開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)辨識(shí),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(kāi)環(huán)與閉環(huán),開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：不將控制的結(jié)果反饋回來(lái)影響當(dāng)前控制的系統(tǒng) 舉例：打開(kāi)燈的開(kāi)關(guān)按下開(kāi)關(guān)后的一瞬間，控制活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，燈是否亮起已對(duì)按開(kāi)關(guān)的這個(gè)活動(dòng)沒(méi)有影響；投籃籃球出手后就無(wú)法再繼續(xù)對(duì)其控制，無(wú)論球進(jìn)與否，球出手的一瞬間控制活動(dòng)即結(jié)束反饋環(huán)節(jié)一個(gè)沒(méi)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(duì)象輸出反饋來(lái)進(jìn)行校正的控制方式，它是在測(cè)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(lái)進(jìn)行糾正的。閉環(huán)控制，從輸出量變化取出控制信號(hào)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

2、制，自動(dòng)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(wú)反饋； 2、是否對(duì)當(dāng)前控制起作用。開(kāi)環(huán)控制一般是在瞬間就完成的控制活動(dòng)，閉環(huán)控制一定會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間，可以借此判斷饋環(huán)節(jié),開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),控制過(guò)程中，沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，不能對(duì)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(kāi)環(huán)控制。以投籃為例。,方框流程圖,大腦,控制信號(hào),手臂,肢體,籃球,控制量,籃球落點(diǎn),開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),按時(shí)序控制的系統(tǒng) 控制過(guò)程始終是隨時(shí)間的前進(jìn)而前進(jìn)的，沒(méi)有回頭。,閉環(huán)控制系統(tǒng),控制過(guò)程中有反饋環(huán)節(jié)可以把控制結(jié)果反饋回來(lái)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

3、閉合回路,閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例,加熱爐的溫度自動(dòng)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(dòng)控制。汽車(chē)的駕駛就是一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)例：汽車(chē)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(chē)作為一個(gè)整體，看成一個(gè)系統(tǒng)。駕駛員通過(guò)操控方向盤(pán)、油門(mén)、剎車(chē)等機(jī)構(gòu)，控制車(chē)輛行駛的狀態(tài)；同時(shí)，駕駛員還通過(guò)視覺(jué)，查看車(chē)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(chē)輛按照預(yù)定的路線軌跡行駛。在這一過(guò)程中，駕駛員通過(guò)視覺(jué)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(huì)調(diào)整； 3、被控量會(huì)被

4、控制在一定的值結(jié)果穩(wěn)定； 4、“結(jié)果”會(huì)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(shí),辨識(shí)的定義 L. A. Zadeh曾給辨識(shí)下過(guò)這樣的定義：“辨識(shí)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(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型?！?三要素： 輸入輸出數(shù)據(jù)（辨識(shí)的基礎(chǔ)） 模型類（尋找模型的范圍） 等價(jià)準(zhǔn)則（辨識(shí)的優(yōu)化目標(biāo)）,系統(tǒng)辨識(shí),辨識(shí)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(shí)的分類 離線辨識(shí)、在線辨識(shí) 非參數(shù)模型辨識(shí)、參數(shù)模型辨識(shí) 非參數(shù)模型辨識(shí)（經(jīng)典辨識(shí)）：假定過(guò)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

5、關(guān)分析、譜分析等 參數(shù)模型辨識(shí)（現(xiàn)代辨識(shí)）：必須假定一種模型結(jié)構(gòu)，通過(guò)極小化誤差準(zhǔn)則來(lái)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(shí)的內(nèi)容： 步驟： 根據(jù)辨識(shí)目的，利用 先驗(yàn)知識(shí)，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(shí)驗(yàn)證，獲得 最終模型。,閉環(huán)辨識(shí)與開(kāi)環(huán)辨識(shí),closed-loop system identification 在閉環(huán)條件下確定開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(或正向通道)的動(dòng)態(tài)性。一般的系統(tǒng)辨識(shí)方法都是針對(duì)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的，于閉環(huán)控制系統(tǒng)的辨識(shí)，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(shí)和如何辨識(shí)系統(tǒng)的正通道參數(shù)的問(wèn)題。穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于不同反饋?zhàn)饔幂斎胄盘?hào)可能有幾

6、乎相同的輸出信號(hào)，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(kāi)環(huán)的少。所以閉環(huán)誤差大于開(kāi)環(huán)辨識(shí)。 （實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）,【閉環(huán)辨識(shí)的重要性】,1.不能輕易切斷過(guò)程的反饋回路，否則可能造成過(guò)程失控，嚴(yán)重影響運(yùn)行。 2.自適應(yīng)控制問(wèn)題時(shí)，辨識(shí)跟控制是有機(jī)結(jié)合的，這時(shí)辨識(shí)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)樗麄兪莾?nèi)部存在的是客觀的，無(wú)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）,測(cè)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(dòng)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(kāi)環(huán)放大系數(shù) 相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端

7、把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。,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(shí)實(shí)驗(yàn),在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的蒸汽水熱交換機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)與閉環(huán)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，輸入跟輸出信號(hào)都采用工業(yè)儀表測(cè)量記錄。,熱交換機(jī)外形尺寸：2001400 換熱面積：2M 內(nèi)管尺寸：121.5 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(shí)通道：從蒸汽閥門(mén)定位器的輸入電流（mA）至冷水出口溫度（C） 冷水流量：21

8、00升/小時(shí) 飽和蒸汽閥前壓力：1.5kg/cm 開(kāi)環(huán)辨識(shí)工作點(diǎn)：蒸汽閥門(mén)定位器電流5.3（mA） 冷水出口溫度67.0（C ） 閉環(huán)辨識(shí)工作點(diǎn)：蒸汽閥門(mén)定位器的輸入電流5.5（mA），冷水出口溫度65.0 （C ） 過(guò)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(lái)確定模型階數(shù)： 目標(biāo)函數(shù)V(n)=et(n)e(n) 開(kāi)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)橼呌谄骄?，參?shù)少又不失準(zhǔn)確性。（左開(kāi)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(duì)均方

9、根誤差），可以得出,熱交換器閉環(huán)和開(kāi)環(huán)辨識(shí)的模型誤差分別為0.1392和0.0189。閉環(huán)模型誤差雖然比開(kāi)環(huán)辨識(shí)大一些，但數(shù)值仍然很小，因而兩者都可以用于過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制。,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)辨識(shí)，可以得到與開(kāi)環(huán)辨識(shí)相近的過(guò)程模型且不會(huì)引起過(guò)程輸入輸出大的波動(dòng)，也不會(huì)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(guò)程應(yīng)用的閉環(huán)辨識(shí)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(shí)，得到的過(guò)程模型，雖然比開(kāi)環(huán)辨識(shí)模型稍大，但足可以用于過(guò)程控制。 由于閉環(huán)辨識(shí)能確保生產(chǎn)過(guò)程的安全，使用工業(yè)儀表即能獲得具有足夠精度的過(guò)程控制模型，離線計(jì)算簡(jiǎn)便迅速，因此可以預(yù)見(jiàn)將會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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