2. Systeemi- ja signaalimallit

Samankaltaiset tiedostot
Systeemimallit: sisältö

Systeemimallit: sisältö

Luento 11. tietoverkkotekniikan laitos

Signaalimallit: sisältö

Lineaaristen järjestelmien teoriaa

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Luento 11. Stationaariset prosessit

( ) ( ) x t. 2. Esitä kuvassa annetun signaalin x(t) yhtälö aikaalueessa. Laske signaalin Fourier-muunnos ja hahmottele amplitudispektri.

( ) ( ) 2. Esitä oheisen RC-ylipäästösuotimesta, RC-alipäästösuotimesta ja erotuspiiristä koostuvan lineaarisen järjestelmän:

5. Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

Luento 9. Epälineaarisuus

Lineaaristen järjestelmien teoriaa II

Luento 2. Järjestelmät aika-alueessa Konvoluutio-integraali. tietoverkkotekniikan laitos

9. Epäoleelliset integraalit; integraalin derivointi parametrin suhteen. (x + y)e x y dxdy. e (ax+by)2 da. xy 2 r 4 da; r = x 2 + y 2. b) A.

Luento 11. Stationaariset prosessit

b) Ei ole. Todistus samaan tyyliin kuin edellinen. Olkoon C > 0 ja valitaan x = 2C sekä y = 0. Tällöin pätee f(x) f(y)

Tasaantumisilmiöt eli transientit

Mallivastaukset KA5-kurssin laskareihin, kevät 2009

W dt dt t J.

Dynaaminen optimointi ja ehdollisten vaateiden menetelmä

Tehtävä I. Vaihtoehtotehtävät.

Konvoluution laskeminen vaihe vaiheelta Sivu 1/5

Diskreetillä puolella impulssi oli yksinkertainen lukujono:

Luento 4. Fourier-muunnos

S Signaalit ja järjestelmät Tentti

TKK Tietoliikennelaboratorio Seppo Saastamoinen Sivu 1/5 Konvoluution laskeminen vaihe vaiheelta

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola. luento 13 Black-Scholes malli optioiden hinnoille

KYNNYSILMIÖ JA SILTÄ VÄLTTYMINEN KYNNYKSEN SIIRTOA (LAAJENNUSTA) HYVÄKSI KÄYTTÄEN

Tietoliikennesignaalit

12. ARKISIA SOVELLUKSIA

DEE Lineaariset järjestelmät Harjoitus 4, ratkaisuehdotukset

a. Varsinainen prosessi on tuttua tilaesitysmuotoa:

6.4 Variaatiolaskennan oletusten rajoitukset. 6.5 Eulerin yhtälön ratkaisuiden erikoistapauksia

järjestelmät Luento 4

9. Parametriset mallit, estimointi

Derivoimalla ensimmäinen komponentti, sijoittamalla jälkimmäisen derivaatta siihen ja eliminoimalla x. saadaan

Luento 9. Epälineaarisuus

ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op)

Huomaa, että aika tulee ilmoittaa SI-yksikössä, eli sekunteina (1 h = 3600 s).

ELEC-C1230 Säätötekniikka (5 op)

2. Taloudessa käytettyjä yksinkertaisia ennustemalleja. ja tarkasteltavaa muuttujan arvoa hetkellä t kirjaimella y t

1. Todista/Prove (b) Lause 2.4. käyttäen Lausetta 2.3./by using Theorem b 1 ; 1 b + 1 ; 1 b 1 1

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola. luento 12 Stokastisista prosesseista

Luoki?elua: tavallinen vs osi?ais. Osa 11. Differen0aaliyhtälöt. Luoki?elua: kertaluku. Luoki?elua: lineaarisuus 4/13/13

Mittaustekniikan perusteet, piirianalyysin kertausta

Luento 3. Fourier-sarja

Luento 7 Järjestelmien ylläpito

2. Suoraviivainen liike

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 2. Tietoliikennetekniikka I A Kari Kärkkäinen Osa 3

Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

a) Ortogonaalinen, koska kantafunktioiden energia 1

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

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

Luento 3. Fourier-sarja

Rakennusosien rakennusfysikaalinen toiminta Ralf Lindberg Professori, Tampereen teknillinen yliopisto

x v1 y v2, missä x ja y ovat kokonaislukuja.

a) Esitä piirtämällä oheisen kaksoissymmetrisen ulokepalkkina toimivan kotelopalkin kaksi täysin erityyppistä plastista rajatilamekanismia (2p).

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Juuri 13 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. K1. A: III, B: I, C: II ja IV.

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Työ 2: 1) Sähkönkulutuksen ennustaminen SARIMAX-mallin avulla 2) Sähkön hankinnan optimointi

1 Excel-sovelluksen ohje

Parametriset mallit. parametreillä a priori tulkinta & merkitys. parametrit vain laskennan/sovituksen apuvälineitä

f x dx y dy t dt f x y t dx dy dt O , (4b) . (4c) f f x = ja x (4d)

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 14: Yhden vapausasteen vaimeneva pakkovärähtely, harmoninen kuormitusheräte

A-osio. Ei laskinta! Valitse seuraavista kolmesta tehtävästä vain kaksi joihin vastaat!

Asuntojen huomiointi varallisuusportfolion valinnassa ja hinnoittelussa

Tiedonhakumenetelmät Tiedonhakumenetelmät Helsingin yliopisto / TKTL. H.Laine 1. Todennäköisyyspohjainen rankkaus

ANALOGISEN VÄRITELEVISION RAKENNE JA TOIMINTA

ẍ(t) q(t)x(t) = f(t) 0 1 z(t) +.

( ) 5 t. ( ) 20 dt ( ) ( ) ( ) ( + ) ( ) ( ) ( + ) / ( ) du ( t ) dt

MAT Fourier n menetelmät. Merja Laaksonen, TTY 2014

Harjoitus 5: Simulink

KULMAMODULOITUJEN SIGNAALIEN SPEKTRIN LASKEMINEN

Taustaa KOMPLEKSILUVUT, VÄRÄHTELIJÄT JA RADIOSIGNAALIT. Jukka Talvitie, Toni Levanen & Mikko Valkama TTY / Tietoliikennetekniikka

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

Takaperäiset stokastiset dierentiaaliyhtälöt, niiden rahoitusteoreettisia sovelluskohteita ja johdatus Itô-analyysiin

Sopimuksenteon dynamiikka: johdanto ja haitallinen valikoituminen

BINÄÄRINEN SYNKRONINEN TIEDONSIIRTO KAISTARAJOITTAMATTOMILLA MIELIVALTAISILLA PULSSIMUODOILLA SOVITETTU SUODATIN JA SEN SUORITUSKYKY AWGN-KANAVASSA

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 12: Yhden vapausasteen vaimenematon pakkovärähtely, harmoninen

Tilausohjatun tuotannon karkeasuunnittelu. Tilausohjatun tuotannon karkeasuunnittelu

Öljyn hinnan ja Yhdysvaltojen dollarin riippuvuussuhde

ETERAN TyEL:n MUKAISEN VAKUUTUKSEN ERITYISPERUSTEET

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Suomen kalamarkkinoiden analyysi yhteisintegraatiomenetelmällä

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

Finanssipolitiikan tehokkuudesta Yleisen tasapainon tarkasteluja Aino-mallilla

joka on separoituva yhtälö, jolla ei ole reaalisia triviaaliratkaisuja. Ratkaistaan: z z(x) dx =

Numeeriset menetelmät

b) Esitä kilpaileva myötöviivamekanismi a-kohdassa esittämällesi mekanismille ja vertaile näillä mekanismeilla määritettyjä kuormitettavuuksia (2p)

Laskelmia verotuksen painopisteen muuttamisen vaikutuksista dynaamisessa yleisen tasapainon mallissa

ÅLANDSBANKEN DEBENTUURILAINA 2/2010 LOPULLISET EHDOT

Kokonaishedelmällisyyden sekä hedelmällisyyden keski-iän vaihtelu Suomessa vuosina

DEE Lineaariset järjestelmät Harjoitus 3, harjoitustenpitäjille tarkoitetut ratkaisuehdotukset

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

YKSISIVUKAISTAMODULAATIO (SSB)

Lectio Praecursoria: Epälokaali epälineaarinen potentiaaliteoria ja fraktionaaliset integraalioperaattorit

Epävarmuus diskonttokoroissa ja mittakaavaetu vs. joustavuus

Dynaamiset regressiomallit

Transkriptio:

2. Syseemi- ja signaalimalli Malliyyppejä: maemaainen malli: muuujien välise suhee kuvau maemaaisesi yhälöin lohkokaaviomalli: syseemin oiminojen looginen jako lohkoihin, joiden välisiä vuorovaikuuksia kuvaaan nuolin u S y u subsysem1 subsysem2 y simulaaiomalli: malli ehkä olemassa vain ieokoneohjelmana joka on ehkä jäsenney maemaaisesa ai lohkokaaviomallisa

Sisäänmeno, ulosulo ja häiriö Mallin vakio: syseemiparameri suunnieluparameri Mallin muuuja: ulosulo oupu y=[y 1,..., y p ] T sisäänmeno inpu, ohjaus u=[u 1,...,u m ] T voidaan valia häiriö w=[w 1,...,w r ] T ei voida valia Sisäänmenoja ja häiriöiä kusuaan ulkoisiksi muuujiksi, muia mallin muuujia sisäisiksi Dynaamisessa järjeselmässä y riippuu paisi u:sä ja w:sä myös kaikisa us, s<

Inpu-oupu -kuvaus ja ilayhälömalli Yleinen jakuvan ajan inpu-oupu-kuvaus on muooa gy n, y n-1,...,y, u m,...,u=0, missä a viiaa a:neen derivaaaan ja g on jokin epälineaarinen funkio SISO Muunneaan 1. keraluvun differeniaaliyhälösyseemiksi aseamalla x i :=y i, i=1,...,n Saadaan ilayhälömalli x& = y f x, u = h x, u jossa dim x=n, dim u=m, dim y=p x on mallin ila, n on mallin keraluku

Tila Aiemmin odeiin, eä syseemin ulosuloon y vaikuava us ja ws, s< Olisi kovin kömpelöä alleaa us ja ws kokonaisuudessaan Syseemin ai mallin ila x on sellainen informaaio, jonka uneminen yhdessä u:n ja w:n kanssa mahdollisaa syseemin ulosulon yτ laskemisen jollekin τ> Käyännössä ilalla on ärkeä merkiys esim. simuloinnissa: se on suoraan kullakin aika-askelella alleeava informaaio u y u x& = f x, u y S inpu-oupu-kuvaus exernal model y = h x, u ilamalli inernal model

Esiysen ero Inpu-oupu -kuvaus ei oa kanaa syseemin sisäiseen rakeneeseen Klassisen sääöeorian perusa siirofunkiolla ilmaisun lineaarisen inpu-oupu -kuvauksen analyysi aajuusasossa Tilayhälöesiys moderni lähesymisapa OR:n syny 1950-luvulla mahdollisi mm. ilaakaisinkykennän, opimisäädön, monimuuuujasäädön ja epälineaarisen mallien käsielyn sekä laajensi lineaarisen järjeselmien eoriaa merkiäväsi

g lineaarinen kun g. on y:n ja u:n derivaaojen painoeu summa, saadaan y u:n funkiona Laplace-muunnoksella SISO: n n 1 n 2 ans + an 1s an 2s +... + a0 Y s = U s m m 1 b s + b s +... + 1 m Osamäärää kusuaan syseemin siirofunkioksi Gs Toisaala, oimimalla kuen edellä saadaan lineaarinen ilayhälömalli x& = Ax + Bu m 1 y = Cx + Du ässä dim A=nxn, dim B=nxm, dim C=pxn, dim D=pxm

Tasapainoilan rakaisu Valiaan u=u 0 vakio; mihin x ja y aseuva? x 0 : fx 0,u 0 =0 yksi, useia ai ei yhään rakaisua x 0,u 0 on asapainopise saionary poin usein oivoavaa saada syseemi asapainoilaan Vasaavasi asapainoilan ulosulo on y 0 =hx 0,u 0 Jos asapainoilan rakaisu on asympooisesi sabiili, y konvergoi y 0 :aan Konvergenssinopeua kuvaa aikavakio usein mielenkiinnon kannala nopea ila voidaan korvaa saaisilla approksimaaioilla Saainen vahvisus = y 0 :n herkkyys muuokselle u 0 :ssa eli g u 0 ; y 0 =hx 0 u 0,u 0 =gu 0

Lineaarisen syseemin sabiilisuus Asympooinen sabiilisuus: lokaali, globaali Sabiilisuus Siirofunkion Gs väliämä inpu-oupu -kuvaus on globaalisi asympooisesi sabiili joss nimiäjäpolynomin nollakohda so. siirofunkion nava sijaiseva aidosi kompleksiason vasemmassa puoliskossa kuvaus on sabiili jos jokin nava ova im-akselilla ja ne ova yksinkeraisia Huom. Laplace-muunamalla ilayhälö saadaan Gs=CsI-A -1 B+D eli nava yhyvä A:n ominaisarvoihin

Diskreeiaikainen lineaarinen järjeselmä Inpu-oupu -kuvauksen siirofunkioesiys Tilayhälöesiys Asympooinen sabiilisuus: siirofunkion nava A:n ominaisarvo yksikköympyrän sisäpuolella sabiilisuus: napoja yksikköympyrällä 1 k k k k k k Du Cx y Bu Ax x + = + = + 1...... 1 1 0 2 2 1 1 z U z b z b a z a z a z a z Y m m m m n n n n n n + + + + + + =

Sananen p:sä, s:sä, z:sa, q:sa ja q -1 :sä s on Laplace-ason muuuja - p on derivoinioperaaori aikaasossa sfs=l{f }, pf=f Gs on Laplace-ason olio - Gp on operaaoripolynomi Gs operoi Us:ään, Gp u:hen z on z-ason muuuja q on eeenpäinsiiro-operaaori q -1 on aaksepäinsiiro-operaaori aikaasossa z -1 Yz=Z{y k-1 }, qy=y k+1, q -1 y=y k-1 Gz on z-ason olio joka operoi Uz:aan Gq ja Gq -1 ova aikaason operaaoripolynomeja joka operoiva u:hen Huomaa eriyisesi, eä ed.kalvon sabiilisuusulos koskee z:n ai q:n polynomeja usein käyeään myös merkinää G*z -1 ai G*q -1!

Linearisoini Tarkasellaan epälineaarisa järjeselmää asapainopiseessä x 0,u 0 sekä poikkeamia x=x-x 0, y=y-y 0 ja u=u-u 0 päee: missä laskeuna x 0,u 0 :ssa ' ' ' ' D u x C y u B x A x d d + = + = u h D x h C u f B x f A = = = = ', ', ', '

...linearisoini Enä jos järjeselmä ei ole asapainoilassa? Myös diskreeiaikainen syseemi voidaan linearisoida samaan apaan, lue app. B Linearisoini soveluu hyvin esim. sääösuunnieluun, koska akaisinkykenä vähenää mallinnusvirheiden vaikuusa Linearisoinnin pohjala voidaan ehdä johopääöksiä vain varovasi

Diskreoinnisa.. Tyypillinen ongelma: mikä diskreeiaikainen malli vasaa anneua jakuvan ajan mallia ai päinvasoin mahdollisimman hyvin? y k y u DT

..Diskreoinnisa Malli epälineaarinen => approksimoidaan ilaa :n ympärillä kehieyllä Taylorin polynomilla => Euler, Runge-Kua jne. Malli lineaarinen: oleeaan ohjaus aika-askelella vakioksi/lineaariseksi ja rakaisaan ilayhälö => diskreein mallin syseemi- ja ohjausmariisi jouduaan laskemaan mariisieksponeni ja sen inegraali Harjoiusyö 1 lue kpl 3.9 ja app. A

Häiriöiden kuvaus 3 häiriöyyppiä: 1. miaavissa oleva häiriö häiriöä voidaan käsiellään kuin ohjausa esim. aurinkolämmiys: säeilyinensieei ajaellaan häiriöksi 2. ei-miaavissa oleva häiriö, jonka lähde unneaan häiriö voidaan oaa huomioon mallia konsruoiaessa esim. lenokoneen liikeyhälö vaihelu ilmavirauksissa 3. ei-miaavissa oleva häiriö esim. ulosuloon summauuva kohina

Signaalien kuvaus aikaasossa... Vaikka häiriö olisi miaavissa, on se pysyävä rekonsruoimaan oleellisila osilaan esim. simuloinia varen Deerminisise häiriömalli: oleeaan eä häiriö w on jonkin prosessin ulosulo: x& w = w = h f w w x x w w, u, u u w on jokin sopiva ohjaus, esim. impulssi δ sopivin syklein saadaan aikaan jakso ulosuloon Eriyisen hyvä lähesymisapa jos häiriön synymekanismi unneaan =>mallinnusongelma! Lineaarisessa apauksessa voidaan kuvaa myös siirofunkion ai operaaoripolynomin avulla w w

... Sokasise malli aikaasossa Tyypillisesi häiriösignaalia ei voida ennusaa äydellisesi signaalin kuvauksessa arviaan sokasinen komponeni Yksinkerainen valina: aseeaan u w =e, missä e on valkoisa kohinaa so. auokorreloimaon saunnaismuuuja: w+d 1 w-t+...+d n w-nt=c 0 e+c 1 e-t+...+c n ent, e ja es riippumaomia kun s=/= yllä T=näyeenooväli 2π/T=näyeenooaajuus, π/t= Nyquisaajuus e:n ei välämää arvise olla normaalijakauunu

...Sokasise malli aikaasossa Edellinen määriely spesifioi {w}:n sokasisena prosessina, ja kulloisekin w:n arvo ova ämän prosessin realisaaio Kyseessä on ARMA-prosessi ulosulo eli siis häiriö on lineaarisesi suodaeua valkoisa kohinaa lähesymisapa unneaan myös kohinanmuooiluna [noise shaping] Prosessin odousarvofunkio on m w = Ew ja kovarianssifunkio R w,s=ew-m w ws-m w s Prosessi on saionaarinen, jos sen ilasollise ominaisuude eivä riipu :sä ässä päee, jos e:n jakauma ei riipu ajasa

Signaali aajuusasossa Karakerisoidaan signaaleja niiden aajuussisällön avulla Spekri ehospekri, spekraaliieys: merk. w:n spekriä Φ w ω:llä, missä ω on kulmaaajuus yksikkönä energia/aajuus eho = energian aikajakauma, ehospekri = energian aajuusjakauma 3 määrielmää lue app. C! Signaaleille, joilla on äärellinen energia, spekri määriellään signaalin fourier-muunnoksen modulin neliönä Signaaleille, joilla on ääreön energia, spekri määriellään kakaisulle signaalille, normeeraaan kakaisun piuudella Saionaarisille sokasisille prosesseille spekri määriellään realisaaion spekrin odousarvona:

...Signaali aajuusasossa merk. saionaarisen sokasisen prosessin {wkt} kovarianssifunkioa R w kt=ew+ktw Ny spekri määriellään: w k= Φ ω = T R kt e k= iωkt eli spekri kuvaa prosessin keskimääräisä aajuussisälöä Diskreeiaikaiselle signaalille spekri määriellään vain nollan ja Nyquis-aajuuden välillä syy: laskosuminen w

...Signaali aajuusasossa Risispekri risiehoiheysspekri Φ yu ω: määriellään y:n Fourier-muunnoksen ja u:n Fouriermuunnoksen kompleksikonjugaain ulona saionaarisille sokasisille prosesseille se on risikorrelaaion DFT eli kuvaa keskimääriä kompleksiarvoinen Inuiiivinen ulkina: arkasellaan kaha signaalia y ja u: jos u:ssä on aajuuskomponeni cosω, on y:ssä sama komponeni Φ yu ω keraa suurempana ja vaiheelaan arg Φ yu ω jäljessä

Yheys aika-ja aajuusasojen välillä Olk. y=gpu+w, u ja w riippumaomia Fourier-muunneaan: Yω=GiωUω+Wω Koroeaan puoliain neliöön, normeeraaan aikavälin piuudella ja oeaan odousarvo => Φ y ω= Giω 2 Φuω+Φ w ω vasaavasi keromalla puoliain conjuω:llä ja eenemällä samoin saadaan Φ yu ω=giωφuω keroo mien prosessi G vaikuaa u:n aajuussisälöön keroo mien prosessi G liiää y:n ja u:n aajuusominaisuude

Diskreeiaikainen syseemi Olk. y=gqu+w, u ja w romia => ja Φ y ω= G T e iωτ 2 Φ u ω+φ w ω Φ yu ω=g T e iωτ Φ u ω Näyeenooväliä T vasaava siirofunkio ARMA-prosessin Cq/Dq spekraaliiheys on näinollen Ce iωτ 2 / De iωτ 2 Φ e ω vasaavasi jakuva aika Φ e ω on valkoiselle kohinalle var e 2 Specral Facorizaion: jos anneu spekri on ω 2 :n raionaalifunkio, voidaan aina löyää siä vasaava sabiili syseemi Gp eräs idenifioinilähesymisapa