Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống - Chương 1: Giới thiệu

Môn học 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: 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1 Mục tiêu: Môn học trang bị cho học viên kiến thức để giải quyết bài Giới thiệu môn học 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 Ch 2 Mô hì h hó ương : n a  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: Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng mô hình hóa và nhận dạng hệ thống 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2  Bài tập: 40% Đánh giá môn học  Tiểu luận: 20%  Thi cuối khóa: 40% 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3 [1] L Lj S t Id tifi ti Th f th 2nd Tài liệu tham khảo . ung , ys em en ca on – eory or e users, 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] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống, 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4 Chương 1 GIỚI THIỆU 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5  Hệ thố độ à ô hì h Nội dung chương 1 ng ng v m n  Mô hình hóa Nhậ d hệ thố n ạng ng 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6 ốHệ th ng động và mô hình 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7 Hệ thống Hệ hố là đối đó á biế át ng tượng trong c c n tương t c với nhau tạo ra tín hiệu quan sát được (Ljung, 1999) w(t) v(t) Hệ thống u(t) y(t) u: tín hiệu vào tí hiệy: n u ra w: nhiễu đo được ễ 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8 v: nhi u không đo được Hệ thống động Hệ thống động (Dynamic System) là hệ thống trong đó tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào ở hiệ t i à ò h th ộ à tí hiệ à tín ạ m c n p ụ u c v o n u ra v n hiệu vào trong quá khứ. Quan hệ vào ra của hệ thống động có thể mô tả bằng phương trình vi phân (hệ liên tục) hoặc phương trình sai phân (hệ rời rạc). Đối tượng khảo sát của môn học này là hệ thống động. 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9 Mô hình Mô hì h ( d l) ủ ộ hệ hố là hệ iả n mo e c a m t t ng quan g thiết (assumed relationship) giữa các tín hiệu quan sát được của hệ thống đó .  Mô hình toán học là (các) biểu thức toán học mô tả quan hệ vào ra của hệ thống MH trong miền thời gian – MH trong miền tần số MH liên tục MH rời rạc – MH tuyến tính – MH phi tuyến MH tham số MH khơng tham số – , 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10 Cách xây dựng mô hình toán học Mô hì h á h â d bằ á hn to n ọc x y ựng ng c c :  Mô hình hóa (System Modeling)  Mô hình hộp trắng (white-box model)  Nhận dạng hệ thống (System Identification)  Mô hình hộp đen (black-box model)  Kết hợp mô hình hóa và nhận dạng hệ thống  Mô hình hộp xám (gray-box model) 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11 Ứng dụng của mô hình Thiế kế hệ hố t t ng  Mô phỏng  Dự báo  Đo lường  Phát hiện, chuẩn đoán lỗi  Tối ưu hóa 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 12 Mô hình hóa 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13 Mô hình hóa Mô hì h hó là h há â d ô hì h t á n a p ương p p x y ựng m n o n của hệ thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống  Ba bước mô hình hóa: Phân 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 á i l ật ật lýc c qu u v . Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các qui luật vật lý . Phân tích toán học: các khối chức năng được kết nối toán học để được mô hình của hệ thống. 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14 Mô hình hóa Ph há ô hì h hó hỉ ó hể á d khi ương p p m n a c c t p ụng ta đã biết rõ cấu trúc của hệ thống và các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống .  Các định luật vật lý: Điện Cơ học Nhiệt Lưu chất lỏng ấLưu ch t khí 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15 Thí dụ mô hình hóa ế ả ố ề Động cơ DC liên k t với t i qua khớp n i m m  Sơ đồ khối Motor Coupling Load 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16 Thí dụ mô hình hóa  Thí dụ mô hình hóa  Các phương trình vi phân rút ra từ các định luật vật lý 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17 ốNhận dạng hệ th ng 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18 Nhận dạng hệ thống  Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được. ( ) H ä h á u(t) y(t)  t e t ong (k) y(k)u  (k,) Moâ hình ŷ(k,) 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19 Các bước nhận dạng hệ thống Bố b ớ hậ d hệ hố n ư c n n ạng t ng: Thí nghiệm thu thập số liệu ấChọn c u trúc mô hình Ước lượng thông số Đánh giá mô hình 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20 Vòng lặp nhận dạng hệ thống Thí nghieäm thu thaäp döõ lieäu a ù c q u i g ö õ , Xöû lyù sô h e ä t h o á n g : c e å u n g o â n n g boä döõ lieäu Choïn caáu truùc t t r ö ô ù c v e à h c a ù c p h a ù t b i e moâ hình Choïn tieâu chuaån öôùc löông o â n g t i n b i e á t u a ä t v a ä t l y ù , c ï Öôùc löôïng thoâng soá T h o â l u Khoâng toát  laëp laïi Khoâng toát  xeùt laïi Ñaùnh giaù moâ hình 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 21 Toát  chaáp nhaän moâ hìnhthoâng tin bieát tröôùc Lý th ết tí hiệ (tí hiệ hiễ ă l ô Kiến thức liên quan đến nhận dạng hệ thống  uy n u n u, n u, n ng ượng, c ng suất,)  Xác xuất thống kê (xác xuất kỳ vọng phương sai ) , , ,  Đại số tuyến tính (các phép tính trên ma trận)  Phương pháp tính (tối ưu hóa dùng phương pháp số) 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22 Thí dụ nhận dạng hệ thống Nhậ d hệ thố ởi dù n ạng ng sư ng năng lượng mặt trời 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23 Thí dụ nhận dạng hệ thống 31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24