开环控制系统与闭环控制系统.ppt

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 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 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 闭环辨识与开环辨识 closed loopsystemidentification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 V min r 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 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 e t 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