MÔ HÌNH hóa và NHẬN DẠNG hệ THỐNG mô HÌNH hóa và NHẬN DẠNG hệ THỐNG

Mơn học

MƠ HÌNH HĨA VÀ NH N D NG H TH NG
Giảng viên: TS. Huỳnh Thái Hồng
B mơn Điều Khiển Tự Đ ng,
ng Khoa Đi n – Đi n Tử
Đ i học Bách Khoa TP.HCM
Email: ,
hthoang hcmut@yahoo com

Homepage: />
31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

1


Gi i thi u môn học
Mục tiêu: Môn học trang bị cho học viên kiến thức để giải quyết bài
toán xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống động bằng
ph ơng pháp mơ hình hóa và nhận dạng hệ thống.
Số tiết: 30 LT + 15 TL


Ch ơng 1: Giới thiệu
 Ch ơng 2:
2 Mơ hì
hình
h hó
hóa

 Ch ơng 3: Nhận dạng mơ hình khơng tham số
 Ch ơng 4: Cấu trúc mơ hình có tham số
 Ch ơng 5: Các thuật toán ớc l ợng tham số
 Ch ơng 6: Đánh giá mơ hình
 Ch ơng 7: Thực hiện nhận dạng hệ thống
 Ch ơng 8: Nhận dạng hệ thống kín
Tiểu luận: Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng mơ hình hóa và nhận
dạng hệ thống
31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

2


Đánh giá mơn học




Bài tập: 40%
Tiểu luận: 20%
Thi cuối khóa: 40%

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

3

Tài li u tham khảo
[1] L
L. Lj
Ljung , System
S t
Identification
Id tifi ti – Theory
Th
for
f the
th 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,
Design,
Prentice Hall Englewood Cliffs
Cliffs, New Jersey
Jersey, 1994
1994.
[4] Huỳnh Thái Hồng, Bài giảng Mơ hình hóa và nhận dạng
hệ thống, />
31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

4

Chương 1

GI I THI U

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

5


N i dung chương 1


Hệ thống
thố độ
động và
à mơ
ơ hì
hình
h
 Mơ hình hóa
 Nhận
Nhậ dạng
d
hệ thống
thố

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

6


H th ng đ ng và mơ hình

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

7


H th ng
Hệ thống
hố là đối t ợng trong đó các
á biến
biế t ơng tác
á
với nhau tạo ra tín hiệu quan sát đ ợc (Ljung, 1999)
v(t)
w(t)
Hệ thống

y(t)

u(t)
u: tín hiệu vào

y: tín
tí hiệu
hiệ ra
w: nhiễu đo được
v: nhiễu
ễ khơng đo được
31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

8


H th ng đ ng
Hệ thống động (Dynamic System) là hệ thống trong
đó tín hiệu ra khơng chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào
ở hiện
hiệ tại
t i mà
à cịn
ị phụ
h thuộc
th ộ vào
à tín
tí hiệu
hiệ ra và
à tín
tí
hiệu vào trong quá khứ.
Quan hệ vào ra của hệ thống động có thể mơ tả

bằng ph ơng trình vi phân (hệ liên tục) hoặc
ph ơng trình sai phân (hệ rời rạc).
Đối t ợng khảo sát của môn học này là hệ thống
động.
g
31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

9


Mơ hình


Mơ hình
hì h ((model)
d l) của
ủ một
ộ hệ thống
hố là quan hệ giả
iả
thiết (assumed relationship) giữa các tín hiệu quan
sát đ ợc của hệ thống đó
đó.
 Mơ hình tốn học là (các) biểu thức tốn học mơ 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
số,…

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

10


Cách xây dựng mơ hình tốn học
Mơ hình
hì h tốn
á học
h xây
â dựng
d
bằ
bằng cách:
á h






Mơ hình hóa (System Modeling)
 Mơ hình hộp trắng (white-box model)
Nhận dạng hệ thống (System Identification)
 Mơ hình hộp đen (black-box model)

Kết hợp mơ hình hóa và nhận dạng hệ thống
 Mơ hình hộp
ộp xám (g
(gray-box
y
model))

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

11


ng dụng c a mơ hình


Thiết kế hệ thống
Thiế
hố
 Mơ phỏng
 Dự báo
 Đo l ờng
 Phát hiện, chuẩn đoán lỗi
 Tối u hóa

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

12


Mơ hình hóa

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

13


Mơ hình hóa


Mơ hì
hình
h hó
hóa là ph
h ơng pháp
há xây
â d
dựng mơ
ơ hì
hình
h ttốn
á
của hệ thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi
phối hoạt động của hệ thống
 Ba b ớc mơ hình hóa:

 Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các
khối chức năng, trong đó mơ hình tốn của các khối
chức năng đã biết hoặc có thể rút ra đ ợc dựa vào
các
á quii lluật
ật vật
ật lý.
lý
 Phân tích vật lý: rút ra mơ hình tốn của các khối
chức năng dựa vào các qui luật vật lý.
lý
 Phân tích tốn học: các khối chức năng đ ợc kết
nối tốn học để đ ợc mơ hình của hệ thống.
31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

14


Mơ hình hóa


Ph ơng pháp
há mơ
ơ hì
hình
h hó
hóa chỉ
hỉ có

ó thể
hể á
áp d
dụng khi
ta đã biết rõ cấu trúc của hệ thống và các qui luật
vật lý chi phối hoạt động của hệ thống
thống.
 Các định luật vật lý:
 Điện
 Cơ học
 Nhiệt
 L u chất lỏng
 L u chất
ấ khí

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

15


Thí dụ mơ hình hóa


Động cơ DC liên kết
ế với tải
ả qua khớp nối
ố mềm
ề



Sơ đồ khối
Motor

31 August 2012

Coupling

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

Load

16


Thí dụ mơ hình hóa


Thí dụ mơ hình hóa



Các ph ơng trình vi phân rút ra từ các định luật vật lý

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

17


Nh n d ng h th ng

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

18


Nh n d ng h th ng


Nhận dạng hệ thống là ph ơng pháp xây dựng mơ hình
tốn của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát đ ợc.

 (t)
()

u(t)
()

H ä thố
Hệ
h áng

u(k)
(k)

 (k,)

y(k)

Mô hình

31 August 2012

y(t)

ŷ(k,)

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

19


Các bư c nh n d ng h th ng


Bốn b ớc
Bố
ớ nhận
hậ dạng
d
hệ thống:
hố
 Thí nghiệm thu thập số liệu
 Chọn cấu

ấ trúc mơ hình
 ớc l ợng thơng số
 Đánh giá mơ hình

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

20


Vịng lặp nh n d ng h th ng
Thô
ông tin biết trước về h
hệ thống: các qui
lu
uật vật lý, ccác phát bie
ểu ngôn ng
gữ, …

Thí nghiệm thu
thập dữ liệu
Xư ly
Xử
lý sơ
bộ dữ liệu
Chọn cấu trúc
mô hình
Chọn tiêu chuẩn
ước lương

ươc
lượng
Ước lượng thông số

Không tốt  xét lạïi
thông tin biết trước
31 August 2012

Đánh giá
mô hình

Không tốt  lặp lại

Tốt  chấp nhận mô hình

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

21


Kiến th c liên quan đến nh n d ng h th ng


Lý th
thuyết
ết tín
tí hiệu
hiệ (tín
(tí hiệu,
hiệ nhiễu,

hiễ năng
ă l ợng, công
ô
suất,…)
 Xác xuất thống kê (xác xuất,
xuất kỳ vọng,
vọng ph ơng sai
sai,…))
 Đại số tuyến tính (các phép tính trên ma trận)
 Ph ơng pháp tính (tối u hóa dùng ph ơng pháp số)

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

22


Thí dụ nh n d ng h th ng


Nhận dạng
Nhậ
d
hệ thống
thố s ởi dù
dùng
năng l ợng mặt trời

31 August 2012

© H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM

23


Thí dụ nh n d ng h th ng

31 August 2012

© H. T. Hồng - ÐHBK TPHCM

24