开环控制系统与闭环控制系统(课堂PPT)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
1
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
控 制 信 号 大脑
控 制 量 手臂,肢体
篮 球 落 篮球 点
5
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。
6
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
7
闭环控制系统应用实例
给定量 （设定的温度）
比较器
控制器 （电子或微机 控制装置）
控制量 （电压）
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
8
其他闭环控制系统应用实例
9
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。
15
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 获取输入输出数据
模型类型和结构 模型参数估计
模型验证 满意
最终模型
不满意
16
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）
17
【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。
18
转速反馈控制的直流调速系统
2
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
3ห้องสมุดไป่ตู้
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。
4
方框流程图
C e(1K pK s /C e) C e(1K ) C e(1K ) 式中: K K p Ks ——闭环系统的开环放大系数
Ce
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。
10
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。
11
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。”
+
z(k)
θ0
+
模型 θ
θˆ(k )
+ ~z (k)
-
zˆ(k )
辨识算法
14
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
20
4.3 转速反馈控制的直流调速系统
21
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
22
热交换器实验流程图
测速反馈环节 Un n α——转速反馈系数（V·min/r）
电压比较环节 Un Un*Un
比例调节器 Uc KpUn Kp——比例调节器的比例系数
电力电子变换器 Ud0 KsUc
直流电动机 n Ud0 I dR
Ce
19
转速反馈控制的直流调速系统
静特性方程式 ：
n K pK sU n *IdRK pK sU n * R Id
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）
12
系统辨识
先验知识
实验设计
参数
模型类选择
等价准则选择
否：修改模型
建
模
和
参
模型验证
数
是：接受模型
估
计
13
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
过程
e(k )
h(k)
辨识表达式 y(k)
23
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）
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
1
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
控 制 信 号 大脑
控 制 量 手臂,肢体
篮 球 落 篮球 点
5
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。
6
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
7
闭环控制系统应用实例
给定量 （设定的温度）
比较器
控制器 （电子或微机 控制装置）
控制量 （电压）
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
8
其他闭环控制系统应用实例
9
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。
15
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 获取输入输出数据
模型类型和结构 模型参数估计
模型验证 满意
最终模型
不满意
16
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）
17
【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。
18
转速反馈控制的直流调速系统
2
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
3ห้องสมุดไป่ตู้
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。
4
方框流程图
C e(1K pK s /C e) C e(1K ) C e(1K ) 式中: K K p Ks ——闭环系统的开环放大系数
Ce
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。
10
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。
11
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。”
+
z(k)
θ0
+
模型 θ
θˆ(k )
+ ~z (k)
-
zˆ(k )
辨识算法
14
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
20
4.3 转速反馈控制的直流调速系统
21
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
22
热交换器实验流程图
测速反馈环节 Un n α——转速反馈系数（V·min/r）
电压比较环节 Un Un*Un
比例调节器 Uc KpUn Kp——比例调节器的比例系数
电力电子变换器 Ud0 KsUc
直流电动机 n Ud0 I dR
Ce
19
转速反馈控制的直流调速系统
静特性方程式 ：
n K pK sU n *IdRK pK sU n * R Id
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）
12
系统辨识
先验知识
实验设计
参数
模型类选择
等价准则选择
否：修改模型
建
模
和
参
模型验证
数
是：接受模型
估
计
13
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
过程
e(k )
h(k)
辨识表达式 y(k)
23
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）