mÔ hÌnh hÓa vÀ nhẬn dẠng hỆ thỐng - hcmut.edu.vnhthoang/ndht/chuong1_ndht_slide.pdf ·...

Môn họcMôn học

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

Giảng viên: TS. Huỳnh Thái HoàngBộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện Điện TửBộ môn Điều Khiển Tự Động, Khoa Điện – Điện Tử

Đại học Bách Khoa TP.HCMEmail: hthoang@hcmut.edu.vn,

hthoang hcmut@yahoo comhthoang.hcmut@yahoo.comHomepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/

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 họcGiới thiệu môn họcMục 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 TLSố tiết: 30 LT + 15 TL

Chương 1: Giới thiệu Ch 2 Mô hì h hó 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 7: Thực hiện nhận dạng hệ thống Chương 8: Nhận dạng hệ thống kínTiểu 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

dạng hệ thống

Bài tập: 40%

Đánh giá môn họcĐánh giá môn học

Bài tập: 40% Tiểu luận: 20% Thi cuối khóa: 40% 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 Tài liệu tham khảo

[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 1994Design, 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 1Chương 1

GIỚI THIỆUGIỚI THIỆUGIỚI THIỆUGIỚI THIỆU

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

Hệ thố độ à ô hì h

Nội dung chương 1 Nội dung chương 1

Hệ thống động và mô hình Mô hình hóa

Nhậ d hệ thố Nhận dạng hệ thống

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

ốốHệ thống động và mô hìnhHệ thống động và mô hình

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

Hệ thốngHệ thống

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

w(t)

v(t)

Hệ thốngw(t)

u(t)

y(t)

u(t)u: tín hiệu vào

tí hiệy: tín hiệu raw: nhiễu đo được

ễ

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

v: nhiễu không đo được

Hệ thống độngHệ thống động

Hệ thống động (Dynamic System) là hệ thống trongđó tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vàoở hiệ t i à ò h th ộ à tí hiệ à tíở hiện tại mà còn phụ thuộc vào tín hiệu ra và tínhiệu vào trong quá khứ.

Quan hệ vào ra của hệ thống động có thể mô tảbằng phương trình vi phân (hệ liên tục) hoặcbằng phương trình vi phân (hệ liên tục) hoặcphương trình sai phân (hệ rời rạc).

Đối tượng khảo sát của môn học này là hệ thốngđộng.

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

g

Mô hìnhMô hình

Mô hì h ( d l) ủ ộ hệ hố là hệ iả Mô hình (model) của một hệ thống là quan hệ giả thiết (assumed relationship) giữa các tín hiệu quan sát được của hệ thống đósát được của hệ thống đó.

Mô hình toán học là (các) biểu thức toán học mô tả quan hệ vào ra của hệ thốngquan hệ vào ra của hệ thốngMH trong miền thời gian – MH trong miền tần sốMH liên tục MH rời rạcMH liên tục – MH rời rạcMH tuyến tính – MH phi tuyếnMH tham số MH khơng tham sốMH tham số – MH khơng tham số,…

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

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

Mô hì h á h â d bằ á hMô hình toán học xây dựng bằng cách:

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

ộp (g y )

Ứng dụng của mô hìnhỨng dụng của mô hình

Thiế kế hệ hố Thiết kế hệ thống 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 hóaMô hình hóa

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

Mô hình hóaMô hình hóa

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

Ba bước mô hình hóa:Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành cácPhân 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 lýcác qui luật vật lý.

Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các qui luật vật lýchức 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

nối toán học để được mô hình của hệ thống.

Mô hình hóaMô hình hóa

Ph há ô hì h hó hỉ ó hể á d khi Phương pháp mô hình hóa chỉ có thể áp dụng khi ta đã biết rõ cấu trúc của hệ thống và các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thốngvật lý chi phối hoạt động của hệ thống.

Các định luật vật lý:ĐiệnĐiệnCơ học

NhiệtNhiệtLưu chất lỏng

ấLưu chất khí

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

Thí dụ mô hình hóaThí dụ mô hình hóa

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

Sơ đồ khối Sơ đồ khối

Motor Coupling Load

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16

Thí dụ mô hình hóaThí 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

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17

ốốNhận dạng hệ thốngNhận dạng hệ thống

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18

Nhận dạng hệ thốngNhận 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.

( )

H ä h áu(t) y(t)

(t)

Heä thoáng( )

(k) y(k)u(k) y(k) (k,)

Moâ hìnhŷ(k,)

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19

Các bước nhận dạng hệ thốngCác bước nhận dạng hệ thống

Bố b ớ hậ d hệ hố Bốn bước nhận dạng hệ thống:Thí nghiệm thu thập số liệu

ấChọn cấu trúc mô hìnhƯớc lượng thông sốĐánh giá mô hình

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20

Vòng lặp nhận dạng hệ thốngVòng lặp nhận dạng hệ thốngThí nghieäm thuThí nghieäm thu

thaäp döõ lieäuaùc

qui

gö

õ, …

Xöû lyù sô

heä th

oáng:

ceåu

ngo

ân ng

Xö ly sô boä döõ lieäu

Choïn caáu truùc

t trö

ôùc v

eà h

caùc

phaùt

bie moâ hình

Choïn tieâu chuaån öôùc löông

oâng

tin b

ieát

uaät v

aät ly

ù, c öôc löôïng

Öôùc löôïng thoâng soá

Thoâ lu

Khoâng toát laëp laïiKhoâng toát xeùt laïi

Ñaùnh giaù moâ hình

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 21

Toát chaáp nhaän moâ hìnhg ï

thoâng tin bieát tröôùc

Lý th ết tí hiệ (tí hiệ hiễ ă l ô

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

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

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22

Thí dụ nhận dạng hệ thốngThí dụ nhận dạng hệ thống

Nhậ d hệ thố ởi dù Nhận dạng hệ thống sưởi dùng năng lượng mặt trời

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23

Thí dụ nhận dạng hệ thốngThí dụ nhận dạng hệ thống

31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24