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1、開環(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(dòng)已經(jīng)結(jié)束，燈是 否亮起已對(duì)按開關(guān)的這個(gè)活動(dòng)沒有影響；投籃 籃球出手后就無法再繼續(xù) 對(duì)其控制，無論球進(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 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
2、，所以叫負(fù)反饋控制，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、有無反饋； 2、是否對(duì)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(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) 開環(huán)控制系統(tǒng) 控制過程中，沒有反饋環(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
3、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(duì)象 （ 加熱爐 ） 被控量 （ 爐內(nèi)溫度 ） 給定量 （ 設(shè)定的溫度 ） 檢測(cè)裝置 （熱電偶） 控制量 （ 電壓 ） 比較器 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)，
4、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(huì)調(diào)整； 3、被控量會(huì)被控制在一定的值 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)
5、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(shí) 是 ： 接受模型 否 ： 修改模型 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)表達(dá)式 0 模型 辨識(shí)算法 + + + - )( kz )( kz )( ke )( ky )( kh )( kz )( k 過程 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(shí)（現(xiàn)代辨識(shí)）：必須假定一種模型 結(jié)構(gòu)，通
6、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(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。 辨識(shí)目的和先驗(yàn)知識(shí) 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(shí)與開環(huán)辨識(shí) 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(dòng)態(tài)性。一般 的系統(tǒng)辨識(shí)方法都是針對(duì)開環(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
7、正通道參數(shù)的問題。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 環(huán)的少。所以閉環(huán)誤差大于開環(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(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?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
8、 d0d C RIUn 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)的開環(huán)放大系數(shù) 相當(dāng)于在測(cè)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(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。 * ( 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
9、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： 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(shí)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(shí)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(shí)工作點(diǎn)：蒸汽閥門定位器的輸入電流
10、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(duì)均方 根誤差），可以得出 熱交換器閉環(huán)和開環(huán)辨識(shí)的模型誤差分別為 0.1392和 0.0189。閉環(huán)模型誤差雖然比開環(huán)辨識(shí)大一些，但數(shù) 值仍然很小，因
11、而兩者都可以用于過程的動(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 開環(huán)辨識(shí)相近的過程模型且不會(huì)引起過程輸入輸出 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)，得到的過程模型，雖然比開環(huán)辨識(shí)模型稍大， 但足可以用于過程控制。 由于閉環(huán)辨識(shí)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(jiǎn)便迅速，因此可以預(yù)見將會(huì)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(dòng)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(dòng)控制中。而閉 環(huán)辨識(shí)，更是以其出色的控制效果， 為現(xiàn)代社會(huì)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(shí) 閉環(huán)辨識(shí)與開環(huán)辨識(shí)的比較及應(yīng)用 閉環(huán)辨識(shí)與開環(huán)辨識(shí)的仿真比較 謝謝觀看！
開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)
