开环控制系统与闭环控制系统

作者:传奇扑克中文官网 发布时间:2020-06-05 03:46

  开环控制系统与闭环控制系统_工学_高等教育_教育专区。开环与闭环控制系统辨识 小组成员: 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: 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:

  开环与闭环控制系统辨识 小组成员: 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: 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 按下开关后的一瞬间, 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, 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 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, 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, 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。 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 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, 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 这个取出量和输入量相位相反, 所以叫负反馈控制, 制。比如家用空调温度的控制 两者区别是什么? 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 控 制 信 号 大脑 手臂,肢体 控 制 量 篮球 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 控制量 (电压) 比较器 给定量 (设定的温度) 控制器 (电子或微机 控制装置) 执行器 (加热器) 被控对象 (加热炉) 被控量 (炉内温度) 检测装置 (热电偶) 加热炉的温度自动控制系统 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: 曾给辨识下过这样的定义: 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 辨识就是在输入和输出数据的基础上, 一组给定的模型类中, 一组给定的模型类中,确定一个与所测系统 等价的模型。 等价的模型。” 三要素: 三要素: 输入输出数据(辨识的基础) 输入输出数据(辨识的基础) 模型类(寻找模型的范围) 模型类(寻找模型的范围) 等价准则(辨识的优化目标) 等价准则(辨识的优化目标) 系统辨识 先验知识 否:修改模型 实验设计 参 数 建 模 和 参 数 估 计 模型类选择 模型验证 是:接受模型 等价准则选择 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 e(k ) 过程 h(k ) 辨识表达式 y (k ) + + z (k ) θ0 + ~ (k ) z - 模型 θ ? θ (k ) ? z (k ) 辨识算法 辨识的分类 离线辨识、 离线辨识、在线辨识 非参数模型辨识、 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 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、 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、 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 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。 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、 二乘类法、梯度校正法、极大似然法等 辨识的内容: 步骤: 辨识目的和先验知识 根据辨识目的,利用 先验知识,初步确立 实验设计 模型类型和结构 模型结构→采集数据 →进行模型参数和结 构辨识→验证,获得 模型验证 获取输入输出数据 模型参数估计 最终模型。 满意 最终模型 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】 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。 转速反馈控制的直流调速系统 测速反馈环节 U n = αn U c = K p ?U n U d 0 ?I dR Ce α——转速反馈系数(V·min/r) * 电压比较环节 ?U n = U n ? U n 比例调节器 Kp——比例调节器的比例系数 电力电子变换器 U d 0 = K sU c 直流电动机 n= 转速反馈控制的直流调速系统 静特性方程式 : RI d n= = ? Ce (1 + K p K sα / Ce ) Ce (1 + K ) Ce (1 + K ) * K p K sU n ? I d R * K p K sU n 式中: K= K p K sα Ce ——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 静特性表示闭环系统电动机转速 静特性 与负载电流(或转矩)间的稳态关系。 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:φ200×1400 换热面积:2M 2 内管尺寸:φ12×1.5 共24根,分成四程 材料:全部碳钢 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! 谢谢观看!


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