开环控制系统与闭环控制系统

开环与闭环控制系统辨识 小组成员：王皓辰 肖连翘 张海波 高翱 吕辉 张从哲 段良琛 什么是开环与闭环 开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统 举例：打开灯的开关 按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是 否亮起已对按开关的这个活动没有影响；投篮 篮球出手后就无法再继续 对其控制，无论球进与否，球出手的一瞬间控制活动即结束反馈环节一个没 有反馈环节 闭环控制系统：闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式， 它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控 制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般 这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控 制。比如家用空调温度的控制 两者区别是什么 ? 1、有无反馈； 2、是否对当前控制起作用。开环控制一般 是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一 定会持续一定的时间，可以借此判断馈环 节 开环控制系统 控制过程中，没有反馈环节，不能对 控制结果加以修正、调节。是个单程 的控制流向。这种控制，称为开环控 制。以投篮为例。 方框流程图 大脑 控 制 信 号 手臂 ,肢体 篮球 控 制 量 篮 球 落 点 开环控制系统的特点 按时序控制的系统 控制过程始终是随时间的前进而前进的， 没有回头。 闭环控制系统 控制过程中有反馈环节可以把控制结果反 馈回来与期望值进行比较 ,并根据它们的误 差及时调整控制作用，控制流向形成了闭 合回路 闭环控制系统应用实例 控制器 （ 电子或微机 控制装置 ） 被控对象 （ 加热炉 ） 被控量 （ 炉内温度 ） 给定量 （ 设定的温度 ） 检测装置 （热电偶） 控制量 （ 电压 ） 比较器 加热炉的温度自动控制系统 执行器 （加热器） 其他闭环控制系统应用实例 值得一提的是，复杂的闭环控制也未必都属于自动控 制。汽车的驾驶就是一个常见的实例：汽车沿着道路行 驶，必须有人的操控，从控制的角度看，属于人工控制， 这时我们是将人与车作为一个整体，看成一个系统。驾 驶员通过操控方向盘、油门、刹车等机构，控制车辆行 驶的状态；同时，驾驶员还通过视觉，查看车辆与前方 道路或障碍物的位置关系信息，根据这一信息不断修正 自己的操作，使车辆按照预定的路线轨迹行驶。在这一 过程中，驾驶员通过视觉获取的信息就是反馈量，因此 属于闭环控制。 特点 1、有反馈； 2、会调整； 3、被控量会被控制在一定的值 结果稳定 ； 4、“结果”会影响“结果”； 5、给定量与被控量是可比较的同一种性质的 量。 系统辨识 辨识的定义 L. A. Zadeh曾给辨识下过这样的定义： “辨识就是在输入和输出数据的基础上，从 一组给定的模型类中，确定一个与所测系统 等价的模型。” 三要素： 输入输出数据（辨识的基础） 模型类（寻找模型的范围） 等价准则（辨识的优化目标） 实验设计 参 数 建 模 和 参 数 估 计 等价准则选择 模型类选择 模型验证 先验知识 是 ： 接受模型 否 ： 修改模型 系统辨识 辨识的基本原理 为了得到模型参数的估计值，通常采用逐步逼近的 办法 辨识表达式 0 模型 辨识算法 + + + - )( kz )( kz )( ke )( ky )( kh )( kz )( k 过程 辨识的分类 离线辨识、在线辨识 非参数模型辨识、参数模型辨识 非参数模型辨识（经典辨识）：假定过程是线性 的前提下不必事先确定模型具体结构。阶跃响应、 脉冲响应、频率响应、相关分析、谱分析等 参数模型辨识（现代辨识）：必须假定一种模型 结构，通过极小化误差准则来确定模型参数。最小 二乘类法、梯度校正法、极大似然法等 辨识的内容： 步骤： 根据辨识目的，利用 先验知识，初步确立 模型结构 采集数据 进行模型参数和结 构辨识 验证，获得 最终模型。 辨识目的和先验知识 实验设计 模型类型和结构 获取输入输出数据 模型参数估计 模型验证 最终模型 满意 不满意 闭环辨识与开环辨识 closed-loop system identification 在闭环条 件下确定开环系统 (或正向通道 )的动态性。一般 的系统辨识方法都是针对开环控制系统的，于闭 环控制系统的辨识，主要是指根据闭环操作所得 的数据，在什么条件下可以辨识和如何辨识系统 的正通道参数的问题。稳定的闭环系统对于不同 反馈作用输入信号可能有几乎相同的输出信号， 因此闭环系统输入和输出数据所提供的信息比开 环的少。所以闭环误差大于开环辨识。 （实验验 证） 【 闭环辨识的重要性 】 1.不能轻易切断过程的反馈回路，否则可能造成过 程失控，严重影响运行。 2.自适应控制问题时，辨识跟控制是有机结合的， 这时辨识一定要在闭环情况下进行，以便随时修 改控制规律。 3.系统本身就存在着内在的，固有的反馈，因为他 们是内部存在的是客观的，无法解除的。 Kp 比例调节器的比例系数 转速反馈系数（ Vmin/r） nnn UUU * npc UKU nU n csd UKU 0 e d0d C RIUn 测速反馈环节 电压比较环节 比例调节器 电力电子变换器 直流电动机 转速反馈控制的直流调速系统 式中 : 闭环系统的开环放大系数 相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开 后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的 电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积 。 闭环调速系统的 静特性 表示闭环系统电动机转速 与负载电流（或转矩）间的稳态关系。 * ( 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 静特性方程式 ： 转速反馈控制的直流调速系统 4.3 转速反馈控制的直流调速系统 热交换器辨识实验 在仿真的基础上，对实验室规模的蒸汽 水热交 换机进行开环与闭环辨识实验，输入跟输出信号 都采用工业仪表测量记录。 热交换机外形尺寸： 200 1400 换热面积： 2M 内管尺寸： 12 1.5 共 24根，分成四程 材料：全部碳钢 2 热交换器实验流程图 辨识通道：从蒸汽阀门定位器的输入电流 （ mA）至冷水出口温度（ C） 冷水流量： 2100升 /小时 饱和蒸汽阀前压力： 1.5kg/cm 开环辨识工作点：蒸汽阀门定位器电流 5.3 （ mA） 冷水出口温度 67.0（ C ） 闭环辨识工作点：蒸汽阀门定位器的输入电流 5.5（ mA），冷水出口温度 65.0 （ C ） 过程调整时间 T =195s 采样时间 t=15s，数据采样 300个周期。 本实验采用目标函数试验的方式来确定模型阶 数： 目标函数 V(n)=et(n)e(n) 开环与闭环的目标函数试验结果如下 ； 所以 d=1， n=3，是最合适的模型结构，因为趋于 平缓，参数少又不失准确性。（左开右闭） 所以模型结构应该是： 该结构估计的热交换器模型参数示于下图 从上表数据中，我们根据下面的公式（相对均方 根误差），可以得出 热交换器闭环和开环辨识的模型误差分别为 0.1392和 0.0189。闭环模型误差虽然比开环辨识大一些，但数 值仍然很小，因而两者都可以用于过程的动态控制。 实验结果表明，对系统进行闭环辨识，可以得到与 开环辨识相近的过程模型且不会引起过程输入输出 大的波动，也不会危及闭环系统的稳定性，因而是 最适宜于工业生产过程应用的闭环辨识实验调节。 按此实验条件进行了实验室规模热交换器的闭环辨 识，得到的过程模型，虽然比开环辨识模型稍大， 但足可以用于过程控制。 由于闭环辨识能确保生产过程的安全，使用工业仪 表即能获得具有足够精度的过程控制模型，离线计 算简便迅速，因此可以预见将会在工业生产过程中 得到广泛的应用，成为设计控制发难和控制算法的 方便工具。 结束语： 开环与闭环，作为自动控制中的两 大基本控制方式，广泛的运用于各种 行业，各种形式的自动控制中。而闭 环辨识，更是以其出色的控制效果， 为现代社会的发展做出了巨大的贡献。 参考资料： 闭环系统的辨识 闭环辨识与开环辨识的比较及应用 闭环辨识与开环辨识的仿真比较 谢谢观看！