開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)（課堂PPT）

1、.1小組成員：王皓辰小組成員：王皓辰 肖連翹肖連翹 張海波張海波 高翱高翱 呂輝呂輝 張從哲張從哲 段良琛段良琛.2l開環(huán)控制系統(tǒng)：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當前控制的系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當前控制的系統(tǒng) 舉例：打開燈的開關(guān)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)的這個活動沒有影響；投籃亮起已對按開關(guān)的這個活動沒有影響；投籃籃球出手后就無法再繼續(xù)對籃球出手后就無法再繼續(xù)對其控制，無論球進與否，球出手的一瞬間控制活動即結(jié)束反饋環(huán)節(jié)一個沒有其控制，無論球進與否，球出手的一瞬間控制活動即結(jié)束反饋環(huán)節(jié)

2、一個沒有反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)l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行校正的控制方式，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行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發(fā)生偏差時，按定額或標準來進行糾正的。閉環(huán)控它是在測量出實際與計劃發(fā)生偏差時，按定額或標準來進行糾正的。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，一般這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制，自動控制通常是閉環(huán)控這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制，自動控制通常是閉環(huán)控制。比如家用空調(diào)溫度的控制制。比如家用空調(diào)溫度

3、的控制 .3l1、有無反饋；l2、是否對當前控制起作用。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)一定的時間，可以借此判斷饋環(huán)節(jié).4l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)。是個單程的控制流向。這種控制，稱為開環(huán)控制。以投籃為例。.5大腦控制信號手臂,肢體籃球控制量籃球落點.6l按時序控制的系統(tǒng)l控制過程始終是隨時間的前進而前進的，沒有回頭。.7l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行比較,并根據(jù)它們的誤差及時調(diào)整控制作用，控制流向形成了閉合回路.8控制器（電子或微機控制裝置）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

4、）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）.9.10 值得一提的是，復雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動控制。汽車的駕駛就是一個常見的實例：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，這時我們是將人與車作為一個整體，看成一個系統(tǒng)。駕駛員通過操控方向盤、油門、剎車等機構(gòu)，控制車輛行駛的狀態(tài)；同時，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。 .111、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)

5、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。.12辨識的定義辨識的定義 L. A. Zadeh曾給辨識下過這樣的定義：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，確定一個與所測系統(tǒng)一組給定的模型類中，確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型。等價的模型?！?三要素：三要素： 輸入輸出數(shù)據(jù)（辨識的基礎(chǔ)）輸入輸出數(shù)據(jù)（辨識的基礎(chǔ)） 模型類（尋找模型的范圍）模型類（尋找模型的范圍） 等價準則（辨識的優(yōu)化目標）等價準則（辨識的優(yōu)化目標）.13.14辨識的基本原理 為了得到模型參數(shù)的估計值，通常采用逐步逼近的辦法.15辨識

6、的分類辨識的分類 離線辨識、在線辨識離線辨識、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、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)、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)，通過極小化誤差準則來確定模型參數(shù)。最小結(jié)構(gòu)，通過極小化誤差準則來確定模型參數(shù)。最小二乘類法、梯度校正法、極大似然法等二乘類法、梯度校正法、極大似然

7、法等.16辨識的內(nèi)容：步驟：根據(jù)辨識目的，利用先驗知識，初步確立模型結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)辨識驗證，獲得最終模型。 .17lclosed-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)對于不同反饋作用輸入信號可能有幾乎相同的輸出信號，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。 （實驗驗證）.181.不能輕易切斷過程的反饋回路，否則可能造

8、成過程失控，嚴重影響運行。2.自適應(yīng)控制問題時，辨識跟控制是有機結(jié)合的，這時辨識一定要在閉環(huán)情況下進行，以便隨時修改控制規(guī)律。3.系統(tǒng)本身就存在著內(nèi)在的，固有的反饋，因為他們是內(nèi)部存在的是客觀的，無法解除的。.19Kp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）nnnUUU*npcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUn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 .20式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 相當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)單獨的放大系數(shù)的乘積。l閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動

9、機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCKespCKKK靜特性方程式 ：.214.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng).22在仿真的基礎(chǔ)上，對實驗室規(guī)模的蒸汽水熱交換機進行開環(huán)與閉環(huán)辨識實驗，輸入跟輸出信號都采用工業(yè)儀表測量記錄。熱交換機外形尺寸：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2.23熱交換器實驗流程圖.24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/小時飽和蒸汽閥前壓力：1.5kg

10、/cm開環(huán)辨識工作點：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：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)整時間T =195s采樣時間t=15s，數(shù)據(jù)采樣300個周期。.25本實驗采用目標函數(shù)試驗的方式來確定模型階數(shù)：目標函數(shù)V(n)=et(n)e(n)開環(huán)與閉環(huán)的目標函數(shù)試驗結(jié)果如下；所以d=1，n=3，是最合適的模型結(jié)構(gòu)，因為趨于平緩，參數(shù)少又不失準確性。（左開右閉）.26所以模型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：該結(jié)構(gòu)估計的熱交換器模型參數(shù)示于下圖.27.28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。.29 實驗結(jié)果表明，對系統(tǒng)進行閉環(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)辨識實驗調(diào)節(jié)。 按此實驗條件進行了實驗室規(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，離線計算簡便迅速，因此可以預見將會在工業(yè)生產(chǎn)過程中