Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Like dokumenter
Løsningsforslag Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

DET TEKNISK - NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET Institutt for data- og elektroteknikk. Løsningsforslag Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Eksamen i MIK130, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

6 Modellering av smelteovn Modellering Tilstandsromform Diskretisering Observerbarthet Tidssteg...

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes canvas.

MIK-130 Systemidentifikasjon Løsningsforslag eksamen 28 mai 2004

Eksamen i ELE620, Systemidentifikasjon (10 sp)

Dato: fredag 14 desember 2007 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: ingen. 1 Diskret tilstandsrommodell 2. 2 Stående pendel 4

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

4.1 Diskretisering av masse-fjær-demper-system. K f m. x m u m y = x 1. x m 1 K d. Dette kan skrives på matriseform som i oppgaven med 0 1 A =

Dato: Tirsdag 28. november 2006 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: Kun standard enkel kalkulator, HP 30S

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Løsningsforslag Eksamen i MIK130, Systemidentikasjon (10 sp)

SLUTTPRØVE (Teller 60% av sluttkarakteren)

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes It s learning. 1 Stokastiske system og prosesser 2

Kalmanfilter på svingende pendel

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

2 Utledning av Kalman-filter Forventningsrett estimator Kovariansmatriser Minimum varians estimator... 9

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes canvas.

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning. 1 En kort oppsummering Adaptiv filtrering 2. 3 Prediksjon 4

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes It s learning.

7 Tilstandsestimering for smelteovn.

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes It s learning. 1 Parameterestimering med LS og RLS 2

Tilstandsestimering Oppgaver

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

TMA4245 Statistikk Eksamen desember 2016

EKSAMEN I TMA4285 TIDSREKKEMODELLER Fredag 7. desember 2012 Tid: 09:00 13:00

Eksamensoppgave i TMA4240 Statistikk

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes canvas. 1 Adaptiv filtrering 2.

Eksamensoppgave i ST1201/ST6201 Statistiske metoder

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes It s learning. med Kalman-filter og RLS.

c;'1 høgskolen i oslo

TTK4180 Stokastiske og adaptive systemer. Datamaskinøving 2 - Parameterestimering

TMA4240 Statistikk Høst 2015

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4240 Statistikk Høst 2015

EKSAMEN I FAG 75510/75515 STATISTIKK 1 Tirsdag 20. mai 1997 Tid: 09:00 14:00

Tilstandsestimering Oppgaver

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag: Eksamen i Brukerkurs for informatikere MA 0003, onsdag 30. november 2005

TMA4245 Statistikk Eksamen desember 2016

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN. 1 Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Trond Stølen Gustavsen. Klasser: (div) Dato: 24. mai 2004 Eksamenstid:

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

Eksamensoppgave i ST1201/ST6201 Statistiske metoder

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i ST1201/ST6201 Statistiske metoder

EKSAMEN I FAG TMA4275 LEVETIDSANALYSE

Tilstandsestimering Løsninger

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I STAVANGER

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Eksamensoppgåve i TMA4240 Statistikk

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

R: 0, , = 6000 D : 0, , = 4000 La v n = angi fordelingen etter n år (dvs. a b n stemmer for R og

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

EKSAMEN I EMNE TMA4265/SIF5072 STOKASTISKE PROSESSER Onsdag 10. august 2005 Tid: 09:00 13:00

DESIGN AV KALMANFILTER. Oddvar Hallingstad UniK

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I ST2101 STOKASTISK MODELLERING OG SIMULERING Onsdag 1. juni 2005 Tid: 09:00 14:00

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

EKSAMEN I TMA4285 TIDSREKKJEMODELLAR Fredag 7. desember 2012 Tid: 09:00 13:00

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, V08

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i MAT1110, 13/6-07

Gammafordelingen og χ 2 -fordelingen

EKSAMENSOPPGAVE. MNF-6002 Videreutdanning i naturfag for lærere, Naturfag trinn 2. Kalkulator Rom Stoff Tid: Fysikktabeller (utskrift)

TMA4240 Statistikk Høst 2009

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

UNIVERSITETET I OSLO

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

vekt. vol bruk

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 6 SIDER MERKNADER: Alle deloppgaver vektlegges likt.

Eksamensoppgave i TMA4267 Lineære statistiske modeller

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I FAG TMA4240 STATISTIKK

EKSAMEN I EMNE SIE 4015 BØLGEFORPLANTNING

Transkript:

DET TEKNISK - NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET Institutt for data- og elektroteknikk Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp) Dato: Mandag 8 desember 2008 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: Kun standard enkel kalkulator, HP30S, Casio FX82 eller TI-30. Bokmål Merknader: Max oppnåelige poeng er gitt for hver oppgave, totalt kan en få 100 poeng. Med 240 minutt totalt kan en fornuftig tidsbruk være å bruke ca 10 minutt for hver 5 poeng, da har en 20 minutt til pauser og 20 minutt ekstra. Merk at oppgavene ikke er sortert etter forventet vanskelighetsgrad. Oppgavesettet er på fire oppgaver, i tillegg er det med noen nyttige formler i del 5 side 6. Oppgavesettet er totalt 6 sider (inkludert denne forsida).

F, T i Q i c p,2 m 2 T 2 ha c p,1 m 1 T 1 F, T 2 Figur 1: Prinsippskisse av system for forvarming av prosesstrøm. 1 Forvarming av prosesstrøm (Antall poeng for denne oppgaven er 15+15 = 30) En prinsippskisse av system for forvarming av prosesstrøm viser i figur 1. En har en tank som prosessmediet strømmer gjennom, tanken er alltid full. I tanken står et varmeelement som får tilført energi, elektrisk generert varme. Dette varmeelementet er pådragsorganet og har masse m 1 kg, temperatur T 1 K og spesifikk varmekapasitet c p,1 J/K kg. Effektpådraget er Q i J/s. Prosessmediet har masse m 2 kg, temperatur T 2 K og spesifikk varmekapasitet c p,2 J/K kg. Varmeoverføringskoeffisienten, h, mellom pådragsorganet og prosessmediet er konstant, det samme er arealet A, slik at varmeoverføringen (per sekund) er en konstant ha J/K s multiplisert med temperaturdifferansen. Strømningsmengde, F, har enhet kg/s og antas her å være konstant. Temperatur for prosessmediet inn er T i K og den antas også å være konstant i denne omgang. En har omrøring av prosessmediet i tanken slik at temperaturen er den samme overalt i tanken. Enhet J/K s er Joule per Kelvin sekund. En Joule er enhet for energi og en har J = kg m 2 /s 2. Energiinnholdet i et system i enheten J er uttrykt som U = m c p T. (1.1) Energiinnholdet til et stoff som strømmer inn/ut av et system i enhetene J/s er tilsvarende uttrykt som u = F c p T (1.2) 2

Videre er en generell energibalanse gitt av: hvor du dt = u inn u ut + Q W (1.3) u inn er energien som blir transportert inn til systemet av massen som kommer inn, J/s u ut er energien som blir transportert ut av systemet av massen som strømmer ut, J/s Q er tilført (avgitt hvis negativ) varme, J/s W er utført arbeid. 1.a (15 poeng) Tilstandene er de to temperaturene, T 1 og T 2. Målingen er av utgangstemperaturen, T 2, og det er noe målestøy. Pådraget er Q i, og her er det også hensiktsmessig å regne inngangstemperaturen som et pådrag. Ta utgangspunkt i energibalansene for prosessmediet og varmeelementet og utvikle en kontinuerlig tilstandsrommodell for systemet. Skriv den kontinuerlige tilstandsrommodellen, uten å ta med støyledd, på forma det vil si skriv uttrykkene for matrisene. ẋ = Ax + Bu, y = Dx + Eu. (1.4) 1.b (15 poeng) Utvikle en diskret tilstandsrommodell som svarer til Euler-forover-diskretisering av modellen funnet i oppgave a. Bruk samplingsintervall T som ikke må forveksles med noen av temperaturene, alle temperaturene har subskript. Skriv den diskrete tilstandsrommodellen på formen x(k + 1) = Φx(k) + Γu(k) + Ωv(k) (1.5) det vil si skriv uttrykkene for Φ og Γ. Kommenter også kort hva en oppnår med å ta med leddet Ωv(k) her, hva påvirker hvor stort eller lite dette leddet bør være? 3

2 Statistiske egenskaper for ARMA-prosess (Antall poeng for denne oppgaven er 5+10+10+5 = 30) Følgende er et eksempel på en ARMA-prosess: x(k) = ax(k 1) + e(k) + ce(k 1), a < 1, x(k < 0) = 0 (2.1) hvor e(k) er en sekvens av normalfordelte, statistisk uavhengige tilfeldige variable der Ee(k) = 0 { σ 2 R e (l) = Ee(k)e(k l) = e l = 0 0 l 0 Vi kan regne prosessen for stasjonær i det området vi ser på her, det vil si Ef(x(k)) = Ef(x(k l)). 2.a (5 poeng) Vis at middelverdien til x(k) er null. 2.b (10 poeng) Vis at R xe (l) = Ex(k)e(k l) = 0 for l < 0 σe 2 for l = 0 a l 1 (a + c)σe 2 for l > 0 (2.2) 2.c (10 poeng) Finn variansen til x(k), altså σ 2 x = R x (0) = Ex 2 (k). 2.d (5 poeng) Vis at R x (l) = R x ( l) = a l 1( a(1 + 2ac + c 2 ) 1 a 2 + c ) σ 2 e l > 0. (2.3) 3 Noen spørsmål om Kalman-filter (Antall poeng for denne oppgaven er 5+5+5+5+5 = 25) Svar på følgende spørsmål om Kalman-filter (KF). 3.a (5 poeng) Hvorfor ønsker man i det hele tatt å bruke en estimator, for eksempel et KF, til å foreta tilstandsestimering? 4

3.b (5 poeng) Hva er spesielt for KF? Hva er egenskapene? 3.c (5 poeng) Hva er et utvidet KF og hva skiller det fra et augmentert KF? 3.d (5 poeng) Kovariansmatrisene for prosesstøy og for målestøy er viktige i et KF. Hvilken funksjon har de, og hvordan påvirker forholdet mellom dem forsterkningsmatrisen K? 3.e (5 poeng) Tegn et blokkskjema for et KF. Få med hvilke signaler som er på de ulike linjer i blokkskjema. Hint: Blokkene som inngår er matrisene i ligningene, Φ, Γ, D og K, samt pluss og minus og forsinkelse. 4 Minste kvadraters metode (Antall poeng for denne oppgaven er 5+5+5 = 15) 4.a (5 poeng) Modellen brukt for minste-kvadraters-metode (Least squares eller bare LS) er: Forklar hva de ulike symboler her betyr (står for). y(k) = ϕ T (k)θ + e(k). (4.1) 4.b (5 poeng) For å kunne estimere parametrene Θ må en sette opp et ligningssystem som kompakt kan skrives: Y (k) = Φ(k)Θ (4.2) LS-estimatet av parametrene finnes med ˆΘ(k) = Φ T (k)φ(k) 1 Φ T (k)y (k). (4.3) Forklar hva de ulike symboler her (begge ligningene) betyr (står for). 4.c (5 poeng) Hva menes med at LS estimatet er konsistent? 5

5 Formler og ligninger Diskretisering z-transferfunksjon for kontinuerlige prosesser med nullte ordens sample- og holdeelement på inngangen: h(z) = Z L 1 { G(s) s som alternativt kan skrives h(z) = (1 z 1 )Z Tranformasjonspar L { e at} = 1 s a ( 1 e T s )} t=kt, (5.1) L 1 { G(s) s L{1} = 1 s, L{t} = 1 s 2 og generelt L{t n 1 } = L { te at} = } t=kt. (5.2) (n 1)! s n 1 L { δ(t a) } = e as L { u(t a) } = e as (s a) 2 s Kalman-filter I vår utledning av Kalman-filteret kom vi fram til følgende ligninger som oppsummerer hovedløkka, det er det som gjøres for hvert tidssteg k. x(k) = Φˆx(k 1) + Γu(k 1) (5.3) P (k) = Φ ˆP (k 1)Φ T + Q (5.4) K(k) = P (k)d T (DP (k)d T + R) 1 (5.5) ˆx(k) = x(k) + K(k)y(k) Dx(k) (5.6) ˆP (k) = (I K(k)D) P (k) (5.7) Matriser Ei 2 2 matrise og den inverse er a b A = c d, A 1 = 1 ad bc d b c a. (5.8) Determinanten er: det A = ad bc. Egenverdier for ei matrise er verdier λ slik at det(λi A) = 0. Derivasjon x = x1 x 2 d d sin x = cos x dx, f = f1 ( ) f 2 ( ) gir dx cos x = sin x (5.9) f f1 f 1 x = x 1 x 2. (5.10) f 2 x 1 f 2 x 2 6