Yleistä. Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Samankaltaiset tiedostot
Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Luento 11: Periodinen liike

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

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

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

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

Luento 13: Periodinen liike

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Luento 2: Liikkeen kuvausta

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),

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

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

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

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

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

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

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

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

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

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Dynaamiset regressiomallit

5. Numeerisesta derivoinnista

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Luento 11: Periodinen liike

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

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

Dynaamiset regressiomallit

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

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

. 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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Nyt kerrataan! Lukion FYS5-kurssi

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Laskuharjoitus 9, tehtävä 6

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

6. Tietokoneharjoitukset

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Lectio Praecursoria: Epälokaali epälineaarinen potentiaaliteoria ja fraktionaaliset integraalioperaattorit

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

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

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

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

dt 2. Nämä voimat siis kumoavat toisensa, jolloin saadaan differentiaaliyhtälö

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

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

Johdantoa. Jokaisen matemaatikon olisi syytä osata edes alkeet jostakin perusohjelmistosta, Java MAPLE. Pascal MathCad

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

1 Di erentiaaliyhtälöt

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

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

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Transkriptio:

Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos MS-E2129 Systeemien identifiointi 3. Harjoitustyö 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 u = 0). 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: x 1 = vaunun paikka x 2 = heilurin kulma x 3 = vaunun nopeus x 4 = heilurin kulmanopeus Näistä muuttujat x 1 ja x 2 on esitetty Kuvassa 3.

Kuva 3: Tilamuuttujat x 1 ja x 2. Mallissa tarvitaan seuraavia parametreja: m c = vaunun massa m p = heilurin massa l = heilurin varren pituus u = vaunun liikeradan suuntainen ulkoinen voima (ohjaus) f c = vaunun liikkeen kitkaparametri f p = heilurin pyörimisen kitkaparametri Tehdään oletus, että vaunun ja heilurin massat ovat pistemäisiä ja heilurin varren massa on nolla. Oletetaan lisäksi, että vaunun liikkeen kitkavoima on suoraan verrannollinen vaunun nopeuteen ja heilurin pyörimisen kitkamomentti on suoraan verrannollinen pyörimisnopeuteen. Laskujen helpottamiseksi sisällytetään heilurin varren pituus (joka on vakio) kertoimeen, jolloin kitkat vaikuttavat seuraavalla tavalla: F p = M p l F c = f c x 3 = f plx 4 l = f p x 4 missä F c on vaunuun kohdistuva sen liikkeeseen nähden vastakkaissuuntainen voima ja F p on heiluriin kohdistuva pyörimisliikettä vastustava voima. Systeemille johtaa seuraavanlaiset tilayhtälöt (1):

dx 1 dt = x 3 dx 2 dt = x 4 dx 3 dt = m pg cos x 2 sin x 2 f p x 4 cos x 2 lm p x 2 4 sin x 2 f c x 3 + u m p sin 2 x 2 + m c (m dx p + m c )g sin x 2 m p lx 2 m c + m p 4 sin x 2 cos x 2 f c x 3 cos x 2 f p x 4 + cos x 4 dt = m 2 u p l(m p sin 2 x 2 + m c ) Systeemin parametrien estimointi Työssä halutaan siis estimoida epälineaarisen differentiaaliyhtälösysteemin (2) dx dt = f(x(t), c, t), x(0) = x 0 parametrivektori c = [f c mitattuun dataan. f p ] siten, että ratkaisu x(t) sopii mahdollisimman hyvin todellisesta systeemistä Olkoon systeemin tila mitattu tiettyinä ajanhetkinä t = 1,, n. Sovituksen hyvyyden mittariksi voidaan valita neliövirhe (3): n V(c) = 1 2 [(x(t i; c) x ref (t i )) T R (x(t i ; c) x ref (t i ))] missä: i=1 x ref (t i ) = todellisen systeemin mitattu tila hetkellä t i. x(t i ; c) = yhtälön (2) antama ratkaisu hetkellä t i, parametreilla c, alkuarvolla x 0 = x ref (t 0 ). R = symmetrinen positiividefiniitti painomatriisi. Pyrkimyksenä on siis löytää estimaattivektori c = argmin c V(c) Tiedostot Harjoitustyötä varten on annettu valmiiksi seuraavat tiedostot. Tutustu niihin huolellisesti. estim.m Toimii (erittäin) vanhoissa MATLABin versioissa estim2.m Toimii uudemmissa MATLABin versioissa pendobj.m pendode.m optpar.m virhepinta.m data1.mat, data2.mat, data3.mat, data4.mat

Tehtävät 1. Lausu systeemin tila hetkellä t i tilayhtälön avulla (Siis kuinka x(t i ) saadaan laskettua differentiaaliyhtälösysteemistä (2), kun alkutila on x(t 0 )? Periaatteen esittäminen riittää). 2. Osoita, että mikäli ohjaus u = 0 ja massoja m c ja m p ei tunneta, ei parametrien arvoja voida yksikäsitteisesti estimoida. Toisin sanoen, jos mallin tuntemattomana parametrivektorina on c = [m c m p f c f p ] ei seuraava implikaatio päde: f(x, c, t) = f(x, c, t) x, t c = c Osoita, että jos massat tunnetaan ja c = [f c f p ], 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 u = 0 kaikissa aineistoissa. Data on annettu matlab-muuttujatiedostoina, joissa muuttujan nimi on 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 tai estim2.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.