Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

Samankaltaiset tiedostot
Missä mennään. systeemi. identifiointi. mallikandidaatti. validointi. malli. (fysikaalinen) mallintaminen. mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot

Signaalimallit: sisältö

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Identifiointiprosessi

Parametristen mallien identifiointiprosessi

Identifiointiprosessi

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

Identifiointiprosessi

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Laplace-muunnos: määritelmä

järjestelmät Luento 8

Identifiointiprosessi

Identifiointiprosessi II

Parametristen mallien identifiointiprosessi

SaSun VK1-tenttikysymyksiä 2019 Enso Ikonen, Älykkäät koneet ja järjestelmät (IMS),

Identifiointiprosessi

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

Harjoitus 6: Simulink - Säätöteoria. Syksy Mat Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

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

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

spektri taajuus f c f c W f c f c + W

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

8. Muita stokastisia malleja 8.1 Epölineaariset mallit ARCH ja GARCH

805324A (805679S) Aikasarja-analyysi Harjoitus 6 (2016)

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Dynaamiset regressiomallit

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

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

Kuva 3.1: Näyte Gaussisesta valkoisest kohinasta ε t N(0, 1) Aika t

Y (z) = z-muunnos on lineaarinen kuten Laplace-muunnoskin

6.5.2 Tapering-menetelmä

Laplace-muunnos. 8. marraskuuta Laplace-muunnoksen määritelmä, olemassaolo ja perusominaisuudet Differentiaaliyhtälöt Integraaliyhtälöt

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

Numeeriset menetelmät

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

T SKJ - TERMEJÄ

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

805324A (805679S) Aikasarja-analyysi Harjoitus 4 (2016)

1. Annettu siirtofunktio on siis G(s) ja vastaava systeemi on stabiili. Heräte (sisäänmeno) on u(t) = A sin(ωt), jonka Laplace-muunnos on

2. kierros. 1. Lähipäivä

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Luento 7. LTI-järjestelmät

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Mallin arviointi ja valinta. Ennustevirhe otoksen sisällä, parametrimäärän valinta, AIC, BIC ja MDL

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

5. Z-muunnos ja lineaariset diskreetit systeemit. z n = z

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Signaalien tilastollinen mallinnus T (5 op) Syksy 2006 Harjoitustyö

Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

H(s) + + _. Ymit(s) Laplace-tason esitykseksi on saatu (katso jälleen kalvot):

9. Tila-avaruusmallit

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

1. Tilastollinen malli??

Vastaavasti voidaan määritellä korkeamman kertaluvun autoregressiiviset prosessit.

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Kompleksianalyysi, viikko 7

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Luento 5: Kantataajuusvastaanotin AWGNkanavassa I: Suodatus ja näytteistys a. Kuvaa diskreetin ajan signaaliavaruussymbolit jatkuvaan aikaan

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

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

4. Fourier-analyysin sovelletuksia. Funktion (signaalin) f(t) näytteistäminen tapahtuu kertomalla funktio näytteenottosignaalilla

MS-C1420 Fourier-analyysi Esimerkkejä, perusteluja, osa I

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 2A

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

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

Analogiatekniikka. Analogiatekniikka

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

Kertaus. MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, Heikki Seppälä

Differentiaaliyhtälön ratkaisu. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Esimerkki: läpivirtaussäiliö. Esimerkki: läpivirtaussäiliö

MS-C1420 Fourier-analyysi osa I

MS-C1420 Fourier-analyysi osa I

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Kojemeteorologia (53695) Laskuharjoitus 1

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

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

MS-C1420 Fourier-analyysi Esimerkkejä, perusteluja, osa I

Keskipisteen lisääminen 2 k -faktorikokeeseen (ks. Montgomery 9-6)

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Osatentti

Dynaamiset regressiomallit

6. Tietokoneharjoitukset

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 1. joulukuuta Z-muunnos

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 9: Moniulotteinen lineaarinen. regressio

Estimointi Laajennettu Kalman-suodin. AS , Automaation signaalinkäsittelymenetelmät Laskuharjoitus 4

Transkriptio:

Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2 Mallin rakentaminen mittausten avulla Epäparametriset menetelmät: tuloksena malli, joka ei perustu parametreille impulssi-, askel- tai taajusvaste siirtofunktion estimointi (parametrinen malli) vasteiden perusteella Transienttianalyysi: impulssivaste, askelvaste Korrelaatioanalyysi: impulssivaste sisäänmenon ja ulostulon ristikovarianssin avulla Taajuusanalyysi: systeemin vaste syötteeseen Asinωt eri ω:lla => taajuusvaste Fourier-analyysi: taajusvaste sisäänmenon ja ulostulon Fourier-muunnosten avulla Spektraalianalyysi: taajuusvaste sisäänmenon ja ulostulon spektrien avulla

Dynaamisten systeemien identifiointi 2/2 Mallin rakentaminen mittausten avulla Parametriset menetelmät: mallirakenteen valinta parametrien estimointi PNS- tai vastaavalla keinolla sovituksen hyvyytenä usein mallin ennustuskyky tärkeä ongelma koesuunnittelu Rakenteelliset mallit parametreillä a priori tulkinta & merkitys Black box-mallit parametrit vain laskennan/sovituksen apuvälineitä

Lineaaristen mallien superpositioperiaate Lineaariselle mallille pätee superpositioperiaate: L(αu 1 +βu 2 )=αl(u 1 )+βl(u 2 ) Hyödyntäminen identifioinnissa: määrätään systeemin vaste (jollekin) standardisyötteelle: impulssi, askel,sini,... lausutaan ohjaus u standardifunktioiden avulla kokonaisvaste saadaan summaamalla u:n komponenttien vasteet standardisyöte standardisyötteen vaste mieliv. ohjaus standardisyötteinä u(t) lineaarinen systeemi y(t) kokonaisvaste

Impulssivaste Tarkastellaan diskreettiaikaisia järjestelmää Standardisyöte = impulssi => {u}= 1,0,0,0,... Vastaava ulostulo = {y} = {h} = h(0),h(1),h(2),... Yleinen sisäänmeno {u}=u(0),u(1),u(2),... => vaste u(0)h(0), u(0)h(1)+u(1)h(0),u(0)h(2)+u(1)h(1)+u(2)h(0),... => y( t) = t k= 0 h( t h(k) on systeemin impulssivaste eli painofunktio (weighting function) impulssivaste on eräs systeemin malli FIR (Finite Impulse Response): h(k)=0 kun k>m k) u( k), t 0

Askelvasteen yhteys impulssivasteeseen Yksikköaskel: u(t) 0,t<0 ja 1, kun t>=0 =>ulostulo y(0)=h(0), y(1)=h(0)+h(1),y(2)=h(0)+h(1)+h(2),... Askelvaste on impulssivasteen summa Impulssivaste on askelvasteen differenssi Selvä myös superpositiomielessä: askel on impulssin summa (integraali) => askelvaste on impulssivasteen summa (integraali) Impulssivaste on askelvasteen derivaatta

Jatkuva-aikaiset järjestelmät Ajattelu kuten diskreettiaikaisissa järjestelmissä jako standardisyötteisiin (esim. paloittain vakio approksimaatio) t-> 0 => yksikköimpulssiδ( t) = 0 t 0, δ( t) dt= 1 käytännössä t ei ole nolla, mutta teoriassa kyllä! δ(t) lineaarinen systeemi h(t)

Askelvasteen yhteys siirtofunktioon Kun systeemin painofunktio tunnetaan, vaste mielivaltaiselle ohjaukselle u(t) on konvoluutio Konvoluution Laplace-muunnos on tulo ja impulssin ykkönen => t y( t) = h( t τ) u( τ) dτ, t 0 Impulssivaste saadaan Laplace-käänteismuuntamalla siirtofunktio ja päinvastoin 0

Transienttianalyysi Impulssi- ja askelvasteen identifiointi Eniten teollisuudessa käytetty menetelmä Käytännössä kvalitatiivinen malli Käyttö identifioinnin alkuvaiheessa: merkittävät sisäänmenot, syy-seuraus -suhteet systeemin aikavakiot ja -skaalat staattiset vahvistukset vasteen kvalitatiivinen luonne (värähtelevä, vaimennettu, vakio,...) systeemin kertaluku Hankalaa konstruoida parametrisiä malleja, mutta joskus toimii! häiriöt, mittausvirheet impulssin tuottaminen? Vertailu mallin validointivaiheessa

Impulssivasteen määritelmän avulla laskettu estimaatti Mieliv. ohjaus u(0),u(1),... => vaste y(0),y(1),... T mittausta:y(0)=u(0)h(0) y(1)=u(1)h(0)+u(0)h(1) y(2)=u(2)h(0)+u(1)h(1)+u(0)h(2)... y=uh h^=u -1 y y(t)=u(t)h(0)+...+u(0)h(t) Käytännössä kohinaisia mittauksia => monta koetta systeemillä => monta havaittua vastetta y => h:n estimointi PNS-menetelmällä

Korrelaatioanalyysi Estimoi ilmpulssivaste g k systeemin sisäänmenon ja ulostulon avulla Tarkastellaan systeemiä, jonka painofunktio on g k ja johon vaikuttaa häiriö v(t), stokastinen prosessi Tällöin y(t) = k= 0 Olkoon u(t) stationaarinen nollakeskiarvoinen stokastinen prosessi kovarianssifunktiolla R u (τ) Oletetaan, että u(t) ja v(t) korreloimattomia Wiener-Hopfin yhtälö gku(t k) + v(t),t 0 ( ) τ = = Ryu gkru(τ k) u(t) on valkoista kohinaa => R yu (τ)= λg τ k 0

Käytännön laskutoimitukset Stationaarisille nollakeskiarvoisille prosesseille Rˆ N yu ( τ) t= 1 ja edelleen, kun u(t) on valkoista kohinaa Yleensä u(t) ei ole valkoista kohinaa gˆ voidaan laskea estimaatti R u (τ) ja ratkaista impulssivaste Wiener-Hopfin yhtälöstä parempi tapa on valkaisusuodatus = 1 N N τ = N 1 Rˆ λ y( t) u( t τ) N yu

Valkaisusuodatus (prewhitening) Suodatetaan y(t) ja u(t) mielivaltaisella suotimella L(q): y F (t)=l(q)y(t); u F (t)=l(q)u(t) Lineaarisuus => sama impulssivaste=> y F(t) = gkuf(t k) + vf(t),t 0 k= 0 Valitaan L(q) siten että u F (t) on niin valkoista kuin mahdollista usein käytetään yksinkertaista AR-mallia L(q)u(t)=e(t), kertaluku 4-8 ja PNS-sovitusta

Korrelaatioanalyysialgoritmi - CRA 1. Kerää y(t) ja u(t) 2. Nollakeskiarvoista vähentämällä estimoidut keskiarvot 3. Valitse valkaisusuodin L(q) ja muodosta y F (t) ja u F (t) 4. Laske u F (t):n varianssin sekä u F (t):n ja y F (t):n ristikovarianssin estimaatit 5. Muodosta impulssivasteen estimaatti

Yhteenveto korrelaatioanalyysista Tavoitteena painofunktio => lopputuloksena myös kvalitatiivista tietoa aikavakiot, aikaskaalat siirtofunktion estimointi lopputuloksen perusteella? Ei vaadi erityisiä ohjauksia Huono signaali-kohina suhde voidaan kompensoida kasvattamalla mittausaikoja Eräänä oletuksena sisäänmenon ja häiriön korreloimattomuus => korrelaatioanalyysi (tämä versio) ei toimi hyvin takaisinkytketyille järjestelmille!