Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống

27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1 MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG Giảng viên: TS. Huỳnh Thái Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn, hthoang.hcmut@yahoo.com Homepage: Moânâ hoïïc 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2 Mục tiêu: Môn học trang bị cho học viên kiến thức để giải quyết bài toán xây dựng mô hình toán học của hệ thống động bằng phương pháp mô hình hóa và nhận dạng hệ thống. Số tiết: 30 LT + 15 TL ‘ Chương 1: Giới thiệu ‘ Chương 2: Mô hình hóa ‘ Chương 3: Nhận dạng mô hình không tham số ‘ Chương 4: Cấu trúc mô hình có tham số ‘ Chương 5: Các thuật toán ước lượng tham số ‘ Chương 6: Đánh giá mô hình ‘ Chương 7: Thực hiện nhận dạng hệ thống ‘ Chương 8: Nhận dạng hệ thống kín Tiểu luận: Nghiên cứu các ứng dụng mô hình hóa và nhận dạng Giới thiệu môn học 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3 ‘ Baøi taäp: 40% ‘ Tieåu luaän: 20% ‘ Thi cuoái khoùa: 40% Ñaùùnh giaùù moânâ hoïïc 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4 [1] L. Ljung , System Identification – Theory for the users, 2nd Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1999. [2] R. Johansson, System Modeling and Identification, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993. [3] D. L. Smith, Introduction to Dynamic Systems Modeling for Design, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1994. [4] Huyønh Thaùi Hoaøng, Baøi giaûng Moâ hình hoùa vaø nhaän daïng heä thoáng, Taøøi lieääu tham khaûûo 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5 GIÔÙÙI THIEÄÄU Chöông 1 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6 ‘ Heä thoáng ñoäng vaø moâ hình ‘Moâ hình hoùa ‘ Nhaän daïng heä thoáng Noääi dung chöông 1 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7 Heää thoááng ñoääng vaøø moââ hình 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8 Heää thoááng Hệ thống là đối tượng trong đó các biến tương tác với nhau tạo ra tín hiệu quan sát được (Ljung, 1999) Heä thoáng w(t) u(t) v(t) y(t) u: tín hiệu vào y: tín hiệu ra w: nhiễu đo được v: nhiễu không đo được 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9 Heää thoááng ñoääng Hệ thống động (Dynamic System) là hệ thống trong đó tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào ở hiện tại mà còn phụ thuộc vào tín hiệu ra và tín hiệu vào trong quá khứ. Quan heä vaøo ra cuûa heä thoáng ñoäng coù theå moâ taû baèng phöông trình vi phaân (heä lieân tuïc) hoaëc phöông trình sai phaân (heä rôøi raïc). Ñoái töôïng khaûo saùt cuûa moân hoïc naøy laø heä thoáng ñoäng. 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10 Moââ hình ‘Moâ hình (model) cuûa moät heä thoáng laø quan heä giaû thieát (assumed relationship) giöõa caùc tín hieäu quan saùt ñöôïc cuûa heä thoáng ñoù. ‘Moâ hình toaùn hoïc laø (caùc) bieåu thöùc toaùn hoïc moâ taû quan heä vaøo ra cuûa heä thoáng ŽMH trong miền thời gian – MH trong miền tần số ŽMH liên tục – MH rời rạc ŽMH tuyến tính – MH phi tuyến ŽMH tham số – MH không tham số,… 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11 Caùùch xaâyâ döïïng moââ hình toaùùn hoïïc Mô hình toán học xây dựng bằng cách: ‘Mô hình hóa (System Modeling) ŽMô hình hộp trắng (white-box model) ‘ Nhận dạng hệ thống (System Identification) ŽMô hình hộp đen (black-box model) ‘ Kết hợp mô hình hóa và nhận dạng hệ thống ŽMô hình hộp xám (gray-box model) 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 12 ÖÙÙng duïïng cuûûa moââ hình ‘ Thieát keá heä thoáng ‘Moâ phoûng ‘ Döï baùo ‘ Đo lường ‘ Phaùt hieän, chuaån ñoaùn loãi ‘ Toái öu hoùa 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13 Moââ hình hoùùa 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14 Moââ hình hoùùa ‘Moâ hình hoùa laø phöông phaùp xaây döïng moâ hình toaùn cuûa heä thoáng baèng caùch döïa vaøo caùc qui luaät vaät lyù chi phoái hoaït ñoäng cuûa heä thoáng ‘ Ba bước mô hình hóa: ŽPhân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các khối chức năng, trong đó mô hình toán của các khối chức năng đã biết hoặc có thể rút ra được dựa vào các qui luật vật lý. ŽPhân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các qui luật vật lý. ŽPhân tích toán học: các khối chức năng được kết nối toán học để được mô hình của hệ thống. 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15 Moââ hình hoùùa ‘ Phöông phaùp moâ hình hoùa chæ coù theå aùp duïng khi ta ñaõ bieát roõ caáu truùc cuûa heä thoáng vaø caùc qui luaät vaät lyù chi phoái hoaït ñoäng cuûa heä thoáng. ‘ Caùc ñònh luaät vaät lyù ŽÑieän ŽCô hoïc ŽNhieät ŽLöu chaát loûng ŽLöu chaát khí 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16 Thí duïï moââ hình hoùùa ‘ Sô ñoà khoái ‘ Ñoäng cô DC lieân keát vôùi taûi qua khôùp noái meàm 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17 Thí duïï moââ hình hoùùa ‘ Caùc phöông trình vi phaân ruùt ra töø caùc ñònh luaät vaät lyù ‘ Sô ñoà töông ñöông 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18 Nhaään daïïng heää thoááng 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19 Nhaään daïïng heää thoááng ‘ Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được. Heä thoáng Moâ hình u(t) y(t) ŷ(k,θ) ν (t) u(k) y(k) ε (k,θ) 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20 Caùùc böôùùc nhaään daïïng heää thoááng Bốn bước nhận dạng hệ thống: ‘ Thí nghiệm thu thập số liệu ‘ Chọn cấu trúc mô hình ‘ Ước lượng thông số ‘ Đánh giá mô hình 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 21 Voøøng laëëp nhaään daïïng heää thoááng Thí nghieäm thu thaäp döõ lieäu T h o â n g t i n b i e á t t r ö ô ù c v e à h e ä t h o á n g : c a ù c q u i l u a ä t v a ä t l y ù , c a ù c p h a ù t b i e å u n g o â n n g ö õ , … Toát⇒ chaáp nhaän moâ hình Khoâng toát⇒ laëp laïi Khoâng toát⇒ xeùt laïi thoâng tin bieát tröôùc Xöû lyù sô boä döõ lieäu Choïn caáu truùc moâ hình Choïn tieâu chuaån öôùc löôïng Öôùc löôïng thoâng soá Ñaùnh giaù moâ hình 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22 ‘ Lyù thuyeát tín hieäu (tín hieäu, nhieãu, naêng löôïng, coâng suaát,…) ‘ Xaùc xuaát thoáng keâ (xaùc xuaát, kyø voïng, phöông sai,…) ‘ Ñaïi soá tuyeán tính (caùc pheùp tính treân ma traän) ‘ Phöông phaùp tính (toái öu hoùa duøng phöông phaùp soá) Kieáán thöùùc lieânâ quan ñeáán nhaään daïïng heää thoááng 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23 Thí duïï nhaään daïïng heää thoááng ‘ Nhaän daïng heä thoáng söôûi duøng naêng löôïng maët trôøi 27 October 2009 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24 Thí duïï nhaään daïïng heää thoááng