Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

Samankaltaiset tiedostot
Yleistä. Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Laskuharjoitus 9, tehtävä 6

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

6. Tietokoneharjoitukset

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Kimmo Berg. Mat Optimointioppi. 9. harjoitus - ratkaisut

FYSA210/2 PYÖRIVÄ KOORDINAATISTO

Luento 11: Periodinen liike

Talousmatematiikan perusteet: Luento 15. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

(s 2 + 9)(s 2 + 2s + 5) ] + s + 1. s 2 + 2s + 5. Tästä saadaan tehtävälle ratkaisu käänteismuuntamalla takaisin aikatasoon:

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

ẋ(t) = s x (t) + f x y(t) u x x(t) ẏ(t) = s y (t) + f y x(t) u y y(t),

Jos siis ohjausrajoitusta ei olisi, olisi ratkaisu triviaalisti x(s) = y(s). Hamiltonin funktio on. p(0) = p(s) = 0.

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 3

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

ja J r ovat vektoreita ja että niiden tulee olla otettu saman pyörimisakselin suhteen. Massapisteen hitausmomentti on

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Shrödingerin yhtälön johto

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Dynaamiset regressiomallit

Luento 13: Periodinen liike

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

TEHTÄVIEN RATKAISUT. b) 105-kiloisella puolustajalla on yhtä suuri liikemäärä, jos nopeus on kgm 712 p m 105 kg

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Lectio Praecursoria: Epälokaali epälineaarinen potentiaaliteoria ja fraktionaaliset integraalioperaattorit

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Tieteellinen laskenta 2 Törmäykset

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Ellipsoidimenetelmä. Samuli Leppänen Kokonaislukuoptimointi. S ysteemianalyysin Laboratorio

Matematiikan tukikurssi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

Y (s) = G(s)(W (s) W 0 (s)). Tarkastellaan nyt tilannetta v(t) = 0, kun t < 3 ja v(t) = 1, kun t > 3. u(t) = K p y(t) K I

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Fysiikka 1. Dynamiikka. Voima tunnus = Liike ja sen muutosten selittäminen Physics. [F] = 1N (newton)

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Matriisilaskenta (TFM) MS-A0001 Hakula/Vuojamo Ratkaisut, Viikko 47, 2017

HARJOITUS 4 1. (E 5.29):

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä: yksi yhtälörajoitus Lagrangen menetelmä: monta yhtälörajoitusta

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

Osakesalkun optimointi. Anni Halkola Turun yliopisto 2016

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

Kokonaislukuoptiomointi Leikkaustasomenetelmät

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Dynaamiset regressiomallit

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Transkriptio:

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Systeemianalyysin laboratorio Mat-2.4129 Systeemien identifiointi Harjoitustyö 3 Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi Yleistä Systeemianalyysin laboratoriossa on opetus- ja demonstraatiokäyttöön tarkoitettu heilurirata, jolla voi tutkia mm. erilaisia ohjausalgoritmeja. Heilurirata koostuu vaakasuoraan pyörillä liikkuvasta vaunusta ja tähän kiinnitetystä vapaasti heiluvasta heilurista. Vaunu on kytketty hammashihnalla tasavirtamoottoriin, jolla siihen voidaan kohdistaa halutun suuruinen vaunun liikkeen suuntainen ohjausvoima. Heiluriradan päässä on pulssianturi, joka mittaa vaunun paikkaa. Vaunussa on vastaavanlainen anturi, joka mittaa heilurin asentoa. Molemmat anturit ovat inkrementaalisia eli ne mittaavat itse asiassa paikan ja kulman muutoksia, jotka välitetään I/O-kortin avulla tietokoneelle, jossa vaunun ja heilurin hetkelliset paikat ja nopeudet voidaan laskea. Heilurirata on esitetty Kuvassa 1, ja sen periaatepiirros on esitetty Kuvassa 2. Kuva 1: Systeemianalyysin laboratoriosta löytyvä heilurirata.

Kuva 2: Periaatepiirros heiluriradasta. Systeemille voidaan johtaa fysiikan lakien avulla epälineaarinen differentiaaliyhtälömalli, joka sisältää parametreina heilurin varren pituuden, vaunun ja heilurin massat, sekä vaunun liikettä ja heilurin pyörimistä vastustavat kitkatermit. Tämän harjoitustyön tarkoituksena on estimoida tuntemattomat kitkaparametrit datan avulla, joka on kerätty todellisesta heilurisysteemistä päästämällä systeemi jostain alkutilasta vapaasti heilumaan (ohjaus ). Työssä siis systeemin malli on johdettu fysikaalisilla perusteilla, eikä sopivaa mallirakennetta tarvitse identifioida (katso esim. Söderström-Stoica, sivu 4-5, kappale Mathematical modelling and system identification ). Usein epälineaariset mallit kirjoitetaan suljetussa muodossa systeemin dynamiikkaa kuvaavien differentiaaliyhtälöiden ratkaisuna. Tässä työssä differentiaaliyhtälöitä ei kuitenkaan voida analyyttisesti ratkaista, ja näin ollen parametrit täytyy estimoida sovittamalla differentiaaliyhtälöistä numeerisesti laskettu ratkaisu todelliseen havintoaineistoon. Heilurin fysikaalinen malli Systeemin tila voidaan kuvata neljällä tilamuuttujalla: = vaunun paikka = heilurin kulma = vaunun nopeus = heilurin kulmanopeus Näistä muuttujat ja on esitetty Kuvassa 3.

Kuva 3: Tilamuuttujat ja. Mallissa tarvitaan seuraavia parametreja: = vaunun massa = heilurin massa = heilurin varren pituus = vaunun liikeradan suuntainen ulkoinen voima (ohjaus) = vaunun liikkeen kitkaparametri = heilurin pyörimisen kitkaparametri Tehdään oletus, että kitkavoimat ovat suoraan verrannollisia nopeuteen. Oletetaan siis, että kitkat vaikuttavat seuraavalla tavalla: missä on vaunuun kohdistuva sen liikkeeseen nähden vastakkaissuuntainen voima ja on heiluriin kohdistuva pyörimisliikettä vastustava voima.

Jos oletetaan lisäksi, että sekä heilurin että vaunun massat ovat pistemäisiä, ja heilurin varren massa on nolla, voidaan systeemille johtaa seuraavanlaiset tilayhtälöt (1): Systeemin parametrien estimointi Työssä halutaan siis estimoida epälineaarisen differentiaaliyhtälösysteemin, (2) parametrivektori siten, että ratkaisu sopii mahdollisimman hyvin todellisesta systeemistä mitattuun dataan. Olkoon systeemin tila mitattu tiettyinä ajanhetkinä voidaan valita neliövirhe:. Sovituksen hyvyyden mittariksi missä: todellisen systeemin mitattu tila hetkellä. yhtälön (2) antama ratkaisu hetkellä, parametreilla, alkuarvolla = symmetrinen positiividefiniitti painomatriisi. Pyrkimyksenä on siis löytää estimaattivektori

Tehtävät 1. Lausu systeemin tila hetkellä tilayhtälön avulla (Siis kuinka saadaan laskettua differentiaaliyhtälösysteemistä (2), kun alkutila on? Periaatteen esittäminen riittää). 2. Osoita, että mikäli ohjaus ja massoja ja ei tunneta, ei parametrien arvoja voida yksikäsitteisesti estimoida. Toisin sanoen, jos mallin tuntemattomana parametrivektorina on ei seuraava implikaatio päde: Osoita, että jos massat tunnetaan ja, implikaatio kuitenkin pätee. 3. Matlab-ajotiedosto virhepinta.m piirtää annetulla testidatalla kriteerifunktion (3) arvojen muodostaman pinnan eri kitkaparametrin arvoilla. Tiedostoissa data1.mat,..., datan.mat on valmiiksi kerättyä dataa todellisen heilurin käyttäytymisestä erilaisilla koesuunnitelmilla. Ohjaus kaikissa aineistoissa. Data on annettu matlab-muuttujatiedostoina, joissa muuttujan nimi = tiedoston nimi (esim. load data3.mat lataa muuttujan data3). Testidata tulee määritellä matriisissa x_ref, jossa jokainen sarake on yksi trajektorin piste, ja data on riveittäin seuraavasti: 1. rivi: vaunun paikka 2. rivi: heilurin kulma 3. rivi: vaunun nopeus 4. rivi: heilurin kulmanopeus 5. rivi: aika Mieti miten painomatriisi R kannattaa valita (helpointa on tietysti käyttää diagonaalimatriisia, jossa diagonaalialkiot painottavat sopivasti eri tilamuuttujien virheitä). Tutki virhepinnan muotoa erilaisilla datoilla. Miten estimointiaineisto vaikuttaa virhepinnan muotoon (vertaa esim. aineistoa, jossa heiluri heiluu pienellä amplitudilla ja aineistoa, jossa heiluri pyörii vauhdilla akselinsa ympäri)? Voit ottaa datasta lyhyempiä pätkiä tai harventaa aikapisteitä (esim. x_ref=data3(:,101:200) ottaa datan keskeltä 100 aikapistettä). Mitä voit virhepinnan muodon perusteella päätellä estimoinnin tarkkuudesta? Minkälainen data kannattaa mielestäsi valita estimointiin? (Ohjelman ajaminen kestää tuskastuttavan kauan, tämän helpottamiseksi voit harventaa aikapisteitä ja pisteistöä, jossa virhefunktio lasketaan)

Parametriestimoinnissa pyritään löytämään virhepinnan minimi. Matlab-ajotiedostossa estim.m on ohjelmapohja, joka minimoi funktion (3) kitkaparametrien suhteen. Algoritmi ei käytä analyyttisesti laskettuja kohdefunktion gradientteja, vaan laskee ne numeerisesti differenssiaproksimaatiolla. Datapisteiden määrä ei ole rajoitettu, mutta pisteiden lukumäärän kasvattaminen hidastaa luonnollisesti optimointia. Estimoi kitkaparametrit muokkaamalla ohjelmatiedostoa haluamallasi tavalla ja käyttämällä erilaisia estimointidatoja. Löytääkö estimointialgoritmi virhefunktion minimin (vrt. virhepinnan tarkastelu)? Vaihtelevatko estimaattejen arvot paljon eri datoilla? 4. Valitse estimaatit ja mieti miten voisit validoida mallin käyttämällä eri dataa kuin estimoinnissa. Jos et saa tyydyttävää tulosta, pohdi mahdollisia syitä.