Mat Systeemien identifiointi

Transkriptio

1 Luennot: TkT, erik. op. to U261 Harjoitukset tekn.yo Ville Koskinen pe joko mikroluokka U352 tai U261 Kurssikirja Ljung & Glad: Modeling of Dynamic Systems, Prentice-Hall, 1994 TAI Ibid.: Modelbygge och Simulering, Studentlitteratur, Luentomateriaali sisältää tietoa jota kirjassa ei ole erityisesti luennot 4,5,6,10 Suorittaminen: tentti (5 tehtävää) + vapaaehtoiset 3 pientä harjoitustyötä (korvaavat 1 tenttitehtävän) www-haun pohjalta kirjoitettu essee (korvaa 1 tenttitehtävän)

2 Dynaamisten systeemien matemaattinen mallintaminen dynaaminen systeemi? Pääaihepiirit: lineaariset dynaamiset systeemit: synteesi fysikaalinen mallintaminen, identifiointi säätötekniikkaa identifiointiprosessi lineaariset dynaamiset systeemit: analyysi lin.dyn.systeemien teoriaa: tila, siirtofunktio, diskretointi, linearisointi, säätöteoriaa, ohjattavuus, havaittavuus, tilaestimointi jne. Näkökulma vuorottelee Excel, Matlab (System Identification Toolbox), Simulink,...

3 Mitä on mallintaminen? Malli = todellisuuden jäljitelmä Todellisuuden jäljittely: fyysiset mallit fysiikan ja luonnonlait, tilastollinen päättely, simulointi Esikuvan toteuttaminen: piirustus, optimointi, säätö, oppiminen Jokapäiväinen elämä mentaalimallit, verbaaliset mallit, takaisinkytkentä Hyvä malli on käyttötarkoitukseensa nähden yksinkertaisin mahdollinen Matemaattiset mallit mallien osajoukko

4 Systeemi vs. malli Systeemi = olemassaoleva kokonaisuus, jonka ominaisuuksista ollaan kiinnostuneita aurinkokunta, kansantalous, sähköpiiri,... huom. länsimaiset luonnontieteet jo satoja vuosia perustuneet hypoteesiin systeemistä ja kokeisiin jotka vahvistavat tai kumoavat sen Malli = tarkasteltavan systeemin kuvaus mallin käyttäjän kannalta kiinnostavin painotuksin Miksei kokeellista lähestymistapaa aina? liian kallista liian vaarallista systeemi ei (vielä) ole olemassa => Malli on työkalu jolla voidaan vastata kysymyksiin systeemistä ilman kokeiden tekemisen tarvetta

5 Esimerkkejä Systeemi kiinnostava asia malli ( painotus ) kompleksisuus kasvaa massapiste sähköpiiri kansantalous massan paikka, nopeus ja kiihtyvyys virrat ja jännitteet piirin osissa inflaatio ensi vuonna Newtonin lait Ohmin laki, Kirchoffin lait jne. osin tunnetut lait, osin havaintoihin perustuen White boxmalli Gray boxmalli Eduskuntavaalit lopputulos psykologiset mallit, kokeet Black boxmalli

6 Matemaattisen mallin konstruointi systeemi mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot käyttö- (fysikaalinen) mallintaminen luonnonlait yms. yms. identifiointi kokeita kokeita + päättely päättely vertailu mallikandidaatti validointi Lähestymistavat tukevat tukevat toisiaan toisiaan ylläpito malli

7 Mallien jaottelua Deterministinen stokastinen - deterministinen: eksaktit yhteydet mitattavissa olevien suureiden välillä - stokastinen: mukana todennäköisyyksiä ja epävarmuutta (yl. satunnaismuuttujalla kuvattu kohina) 2. Dynaaminen staattinen - dynaamisella systeemillä on tila, josta sen tulevaisuus riippuu ohjauksen lisäksi 3. Jatkuva-aikainen diskreettiaikainen - mallina vastaavasti differentiaali- tai differenssiyhtälöt

8 ...Mallien jaottelua Keskitetyt parametrit jakautuneet parametrit - keskitettyjen parametrien järjestelmissä parametrit eivät ole paikan tms. funktioita - esim. hydraulijärjestelmissä paine riippuu paikasta = jakautunut järjestelmä - mallina diff. yhtälöt - osittaisdiff.yhtälöt 5. Jatkuva-aikainen tapahtumaorientoitunut - jälkimmäisissä tila muuttuu vain tapahtuman (event) seurauksena (erilaiset logistiikka- yms. simulaatiomallit)

9 ...Mallien jaottelua (ei kirjassa) 6. Parametrinen ei-parametrinen - esim. systeemin taajuus- tai impulssivaste on myös malli 7. SISO-MIMO (MISO) 8. Lineaarinen epälineaarinen 9. Aikavariantti aikainvariantti - aikavariantissa mallissa parametrit muuttuvat ajassa 10. Aikatasomalli taajuustasomalli - diff. yhtälöt vs. taajuusesitykset kuten Boden diagrammi

10 Esimerkkejä malleista Biologinen systeemi (kirja s ) yhteisen ruuan tilanne Predator prey tilanne (Lotka-Volterra -malli) Kansantaloudellinen systeemi (kirja s )