Bài giảng Mô hình hóa và Nhận dạng Hệ thống

Môn học Môn học

MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG

Giảng viên: TS. Huỳnh Thái Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện – Điện Tử 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 hthoang hcmut@yahoo com

Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1

Giới thiệu môn học Giới thiệu môn học

Mục tiêu: Môn học trang bị cho học viên kiến thức để giải quyết bài 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 Số tiết: 30 LT + 15 TL

 Chương 1: Giới thiệu  Chương 2: Mô hình hóa 2 Mô hì h hó  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 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 dạng hệ thống

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2

Đánh giá môn học Đánh giá môn học

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

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3

Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo

Id tifi

S t

[1] L. Ljung , System Identification – Theory for the users, 2nd 2nd [1] L Lj ti 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. Design Prentice Hall Englewood Cliffs New Jersey 1994

[4] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng [4] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng

hệ thống, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4

Chương 1 Chương 1

GIỚI THIỆU GIỚI THIỆU GIỚI THIỆU GIỚI THIỆU

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5

Nội dung chương 1 Nội dung chương 1

 Hệ thống động và mô hình  Hệ thố à ô hì h độ  Mô hình hóa  Nhận dạng hệ thống

Nhậ d

hệ thố

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6

Hệ thống động và mô hình Hệ thống động và mô hình

ốố

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7

Hệ thống Hệ thống

đó á biế

là đối

Hệ thống là đối tượng trong đó các biến tương tác Hệ hố á với nhau tạo ra tín hiệu quan sát được (Ljung, 1999)

v(t)

w(t) w(t)

y(t)

Hệ thống

u(t) u(t)

u: tín hiệu vào y: tín hiệu ra tí hiệ w: nhiễu đo được v: nhiễu không đo được

ễ

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8

Hệ thống động Hệ thống động

à tí hiệ

h th ộ

à ò

à tí

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 ở hiệ t i 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 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. g

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9

Mô hình Mô hình

d l) ủ

 Mô hình (model) của một hệ thống là quan hệ giả hệ iả

ộ hệ hố

là

Mô hì h ( thiết (assumed relationship) giữa các tín hiệu quan sát được của hệ thống đó. 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 quan hệ vào ra của hệ thống MH trong miền thời gian – MH trong miền tần số MH liên tục – MH rời rạc MH liên tục MH rời rạc MH tuyến tính – MH phi tuyến MH tham số – MH khơng tham số,… MH tham số MH khơng tham số

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10

Cách xây dựng mô hình toán học Cách xây dựng mô hình toán học

Mô hình toán học xây dựng bằng cách: Mô hì h á h

á h

â d

bằ

 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

(g y

ộp

 Mô hình hộp xám (gray-box model) )

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11

Ứng dụng của mô hình Ứng dụng của mô hình

 Thiết kế hệ thống Thiế kế hệ hố  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 Mô hình hóa

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13

Mô hình hóa Mô hình hóa

ô hì h t á

â d

 Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán há Mô hì h hó là h của hệ thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống phối hoạt động của hệ thống

 Ba bước mô hình hóa:

 Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các 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 các qui luật vật lý. i l ật ật lý

 Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối

chức năng dựa vào các qui luật vật lý. 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. nối toán học để được mô hình của hệ thống.

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14

Mô hình hóa Mô hình hóa

há

hỉ ó hể á d

ô hì h hó

 Phương pháp mô hình hóa chỉ có thể áp dụng khi khi Ph ta đã biết rõ cấu trúc của hệ thống và các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống. vật lý chi phối hoạt động của hệ thống

 Các định luật vật lý:

Điện Điện Cơ học Nhiệt Nhiệt Lưu chất lỏng Lưu chất khí

ấ

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15

Thí dụ mô hình hóa Thí dụ mô hình hóa

 Động cơ DC liên kết với tải qua khớp nối mềm

ề

ế

ả

ố

 Sơ đồ khối  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

 Thí dụ mô hình hóa  Thí dụ mô hình hóa

 Các phương trình vi phân rút ra từ các định luật vật lý

Nhận dạng hệ thống Nhận dạng hệ thống

ốố

Nhận dạng hệ thống Nhận dạng hệ thống

 Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình  Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được.

(t) ( )

y(t)

u(t) ( )

Heä thoáng H ä h á

y(k) y(k)

u(k) (k)

(k,)

Moâ hình

ŷ(k,)

Các bước nhận dạng hệ thống Các bước nhận dạng hệ thống

hệ hố

ấ

 Bốn bước nhận dạng hệ thống: hậ d Bố b ớ Thí nghiệm thu thập số liệu Chọn cấu trúc mô hình Ước lượng thông số Đánh giá mô hình

Vòng lặp nhận dạng hệ thống Vòng lặp nhận dạng hệ thống

Thí nghieäm thu Thí nghieäm thu thaäp döõ lieäu

…

i u q

Xö ly sô Xöû lyù sô boä döõ lieäu

c a c : g n o h t e h h

Choïn caáu truùc moâ hình

, ö g g n n o g n u e e i b t a h p

Choïn tieâu chuaån öôc löôïng öôùc löông

Öôùc löôïng thoâng soá

â â

c a c c , y l t a v t a u u l

e v c ô ö r t t t e i b n i t g n o o h T

Ñaùnh giaù moâ hình

Khoâng toát  laëp laïi

Khoâng toát  xeùt laïi ï thoâng tin bieát tröôùc

Toát  chaáp nhaän moâ hình

Kiến thức liên quan đến nhận dạng hệ thống Kiến thức liên quan đến nhận dạng hệ thống

 Lý thuyết tín hiệu (tín hiệu, nhiễu, năng lượng, công

hiễ

Lý th ết tí hiệ (tí hiệ suất,…)

 Xác xuất thống kê (xác xuất, kỳ vọng, phương sai,…) )  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)  Phương pháp tính (tối ưu hóa dùng phương pháp số)