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

Like dokumenter
Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

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

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

MIK-130 Systemidentifikasjon Løsningsforslag eksamen 28 mai 2004

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Løsningsforslag Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i ELE620, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Løsningsforslag Eksamen i MIK130, 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 It s learning.

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

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

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Kalmanfilter på svingende pendel

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

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

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

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

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

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 =

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

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

TTK4180 Stokastiske og adaptive systemer. Datamaskinøving 2 - Parameterestimering

Tilstandsestimering Oppgaver

7 Tilstandsestimering for smelteovn.

Tilstandsestimering Løsninger

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

Tilstandsestimering Oppgaver

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

DESIGN AV KALMANFILTER. Oddvar Hallingstad UniK

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

SLUTTPRØVE (Teller 60% av sluttkarakteren)

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET MASTEROPPGAVE. Forfatter: Atle Gjengedal (signatur forfatter)

University College of Southeast Norway. Kalmanfilter HANS-PETTER HALVORSEN,

c;'1 høgskolen i oslo

Side av 5 fra matriseteori har vi at en symmetrisk matrise alltid er ortogonalt diagonaliserbar. Det vil si at X kan skrives på formen X = M M (6) der

Tilstandsestimering Løsninger

Litt generelt om systemidentifikasjon.

Litt generelt om systemidentifikasjon.

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET MASTEROPPGAVE. Forfatter: Duy Viet Nguyen (signatur forfatter)

Kalmanfilter HANS-PETTER HALVORSEN,

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

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

Eksamen i SEKY3322 Kybernetikk 3

Løsningsforslag øving 8

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG TMA4240 STATISTIKK Mandag 12. desember 2011

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra fagets nettside, og for øvinger brukes canvas. 1 Øving med systemidentifikasjon.

UNIVERSITETET I OSLO

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning. 7.1 Stokastisk prosess Lineær prediktor AR-3 prosess...

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

Systemidentifikasjon Oppgaver

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 21. mai 2007 kl Løsningsforslaget er på i alt 9 sider.

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Tilleggsoppgaver for STK1110 Høst 2015

Del 1. Skisse av reguleringsteknisk system

ÅMA110 Sannsynlighetsregning med statistikk, våren

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1. Oppgave 2. Oppgave 3

v(t) = r (t) = (2, 2t) v(t) = t 2 T(t) = 1 v(t) v(t) = (1 + t 2 ), t 2 (1 + t 2 ) t = 2(1 + t 2 ) 3/2.

HØGSKOLEN I STAVANGER

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

Computer Problem 1 TTK 4190 NavFart

So303e Kyb 2: Løsning til øving 11

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

Båtsimulering med diskret Kalmanfilter TTK4115 Lineær systemteori

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Løsninger til oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET MASTEROPPGAVE. Forfatter: Bjørnar Langeland

I dette kapitlet vil vi gi en rask innfring i Kalman-ltrering. Malet er a sette leseren

UNIVERSITETET I OSLO

University College of Southeast Norway. Observer HANS-PETTER HALVORSEN.

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

TMA4210 Numerisk løsning av part. diff.lign. med differansemetoder Vår 2005

TTK4180 Stokastiske og adaptive systemer. Datamaskinøving 1 - Tilstandsestimering

Lineær analyse i SIMULINK

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1. X 1 B(n 1, p 1 ) X 2. Vi er interessert i forskjellen i andeler p 1 p 2, som vi estimerer med. p 1 p 2 = X 1. n 1 n 2.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Prosjektoppgaver om diusjonsprosesser og diusjonstilnærmelse

UNIVERSITETET I OSLO Fysisk institutt. MEMSgyromatriser. Masteroppgave. Tomas Sandmo

Løsningsforslag øving 6

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

TTT4110 Informasjons- og signalteori Løsningsforslag eksamen 9. august 2004

Emne 10 Litt mer om matriser, noen anvendelser

Oppgave 1. T = 9 Hypotesetest for å teste om kolesterolnivået har endret seg etter dietten: T observert =

Eksamensoppgave i TMA4240 Statistikk

TMA4240 Statistikk H2010

Utfordring. TMA4240 Statistikk H2010. Mette Langaas. Foreleses uke 40, 2010

Prosjektoppgaver om diusjonsprosesser og diusjonstilnærmelse

Transkript:

DET TEKNISK - NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET Institutt for data- og elektroteknikk Løsningsforslag Eksamen i MIK30, Systemidentifikasjon Dato: fredag 4 desember 2007 Lengde på eksamen: 4 timer Tillatte hjelpemidler: ingen Løsningsforslag Innhold Diskret tilstandsrommodell 2 2 Stående pendel 4 3 Blokkdiagram 7

Diskret tilstandsrommodell (Antall poeng for denne oppgaven er 5+0+0+0+0 = 55).a (5 3 = 5 poeng) De fem matrisene med navn og dimensjon er gitt i tabellen nedenfor. Symbol Navn Dimensjon Transisjonsmatrise Φ eller systemmatrise n n Γ Pådragsmatrise n s Ω Forstyrrelsematrise n n D Målematrise l n E Direktekoblingsmatrise l s En forklaring om matrisene kan innholde litt som dette. Φ er alltid med, ved parameterestimering som i RLS er den identitetsmatrise. Γ er med så sant det er et (eller flere) pådrag til systemet, men er for eksempel utelatt ved utledning av Kalman-filter. Ω er ofte identitetsmatrise, og i hvert fall diagonal. D er med så sant det er måling i systemet, noe det (nesten) alltid er. Ved parameterestimering som i RLS er D en vektor (siden en har ei måling) som endres for hvert tidssteg. E er ofte ikke med..b (0 poeng) Fra notatet om utledningen av Kalman-filter har vi: Nå forenkles notasjonen noe ved at vi utelater (k) for matrisene, det gir en forenkling i notasjonen uten at det påvirker resultatet noe. Men matrisene tillates likevel å være tidsvarierende. I praksis er de ofte konstante eller langsomt varierende. Støyleddet for signalet forenkles også noe, en legger støyen direkte til prosessen i stedet for å la den gå gjennom matrisa Ω, dette har heller ikke større betydning. Vi ser også bort fra pådraget i denne utledningen, det gjør det hele en del enklere uten at resultatet endres. En kan argumentere for dette ved å splitte tilstandsvektoren i to deler, en deterministisk del og en stokastisk del, x(k) = x d (k) + x s (k). Se gjerne også punkt 3 side 39 hos Haugen for forklaring på hvorfor pådraget forsvinner i en mer fullstendig utledning. I oppgaven her var alt k-ene utelatt 2

Prosessen her blir da: x(k + ) = Φx(k) + v(k), (.) y(k) = Dx(k) + w(k). (.2).c (0 poeng) Fra notatet om utledningen av Kalman-filter har vi: Vi antar nå at støyen, v(k) og w(k), har forventningsverdi (middelverdi) null Ev(k) = 0, Ew(k) = 0, (.3) og at sekvensene v(k) og w(k) er ukorrelerte med hverandre (R vw (τ, k) er en n l matrise) Ev(k + τ)w T (k) = R vw (τ, k) = 0, (.4) og støyen er hvit, det vil si uavhengig av tidligere verdier, Ev(k + τ)v T (k) = R v (τ, k) = δ(τ)r v (0, k) = Q(k) = Q, (.5) Ew(k + τ)w T (k) = R w (τ, k) = δ(τ)r w (0, k) = R(k) = R. (.6) Q og R er da autokovariansmatriser for prosesstøy v(k) og målestøy w(k) henholdsvis..d (0 poeng) Se læreboka kapittel 0.4. Her spesielt boksen side 369. Tilstandene x blir nå parametrene som skal estimeres θ, og en har ikke noe pådrag i det hele (Γ = 0). Systemmattrisa Φ blir helt enkel det vil si identitetsmatrise, det samme lar vi forstyrrelsematrise Ω være men kan da gjerne la de ulike komponeter i støyen v ha ulik varians. Prosessligningen blir θ(k + ) = θ(k) + v(k) (.7) Regresjonsmodellen overføres til målelikningen og den blir y(k) = φ T (k)θ + e(k). (.8) Merk at målestøyen w(k) nå kalles e(k), det er her gjerne mer enn bare målestøy og inkluderer også modellfeil (som gjerne er største bidrag)..e (0 poeng) Matrisene Q og R ved Kalman-filter for parameterestimering brukes som tuningparametre. Ofte velges R fast og kun Q brukes da som tuningparameter. R kan da gjerne velges litt større enn antatt målestøy (inkluderer litt modellfeil). Q velges da til ei diagonalmatrise der hvert element er variansen (standardavviket kvadrert) for prosesstøyen, standardavviket bør da være i 3

størrelseorden for det som det er rimelig å anta at parameteren kan endre med fra et tidssteg til et annet. Hvis en av parameterne er ganske konstant er det rimelig å la tilhørende varians være litt større til å begynne med og så avta etter hvert som k øker. Større verdi til å begynne med for å ta hensyn til at en kan ha gjettet en del feil på parameterverdien for første tidssteg, og dermed gi parameteren en mulighet til å korrigere seg inn. Generelt har en at store verdier i Q gir parameterestimat som kan endres fort, mens små verdier i Q gir kun små endringer i parameterestimatene fra et tidssteg til neste. Tilsvarende for skalaren R, men med motsatt virkning. Stor R betyr stor målefeil og dermed liten vekt på målingen (siste ligning) og tilsvarende større vekt på forrige parameterestimat, og dette gir liten endring av parameterestimatene. Liten R betyr liten målefeil og dermed stor vekt på siste målingen og tilsvarende mindre vekt på forrige parameterestimat, og dette gir større endring av parameterestimatene. 2 Stående pendel (Antall poeng for denne oppgaven er 0+0+5+0 = 35) 2.a (0 poeng) Fra modellligningen får en ganske direkte systemligningene og måleligningen er gitt i oppgaven. Kontinuerlig tilstandsrommodell er da ẋ = x 2 (2.) ẋ 2 = g L sin x + ml 2 u y = x 2.b (0 poeng) Euler-forover-diskretisering, og når en også tar med støyledd, gir den diskrete tilstandsrommodellen x (k + ) = x (k) + T x 2 (k) + v (k) f ( ) (2.2) x 2 (k + ) = x 2 (k) + T g L sin(x (k)) + T ml u(k) + v 2(k) f 2 2 ( ) y(k) = x (k) + w(k) g( ) Legg merke til at modellen ikke kan skrives på matriseform, x(k + ) = Φx(k) + Γu(k) + Ωv(k) siden den ikke er lineær. 2.c (5 poeng) Med linearisering i arbeidspunktet får en Φ = f x A der x = x x 2 f ( ), f = f 2 ( ) (2.3) 4

Merk at en ikke trenger å linearisere for å finne Γ selv om en skulle ha ulineære forhold for pådragene, Kalman-filteret kan nemlig bruke de ulineære funksjonene f fra (2.2) direkte ved utregning av x(k). Her er systemet riktig nok lineært for pådraget og en har dermed alt gitt en Γ i modellen. Måleligningen er her lineær og en har D = 0 (og E = 0). Med et fast arbeidspunkt som gitt i oppgaven kan en nå sette opp hele modellen som en lineær modell med matrisene i systemligningen som T 0 0 Φ =, Γ = T, Ω =. (2.4) 0 ml 2 Systemligningen er Måleligningen er T g L x(k + ) = Φx(k) + Γu(k) + Ωv(k) (2.5) y(k) = x (k) = 0x(k) = Dx(k) der D = 0. (2.6) 2.d (0 poeng) Målestøykovariansmatrisa R er skalar og vi setter kun R = R siden vi ikke har noen annen verdi. Enhet er kvadrert måleenhet, for eksempel rad 2. Prosesstøykovariansmatrisa Q kan vi la være diagonal, q 0 Q(k) =. (2.7) 0 q 2 Her kan en gjerne ut fra en argumentasjon om at vindstøy gir ei kraft som påvirker med et bidrag til akselerasjonen for pendelen, dermed kun til θ og kun støy til x 2, x påvirkes da indirekte via x 2. Da kan vi ha q svært liten, gjerne 0. I tillegg til de matrisene en alt har oppgitt har en at aposteriori og apriori kovariansmatrise er ˆP (k) ˆP2 (k) P ˆP (k) = og P (k) = (k) P 2 (k). (2.8) ˆP 2 (k) ˆP22 (k) P 2 (k) P 22 (k) Ved start av steg k har en verdiene fra forrige steg eller initialverdier. Altså verdier for ˆx(k ) og ˆP (k ) for steg k. Med utgangspunt i ligningene for Kalman-filteret som er gitt i formelvedlegget i oppgaven, finner vi nå ligningene for steg k. Først tar vi de to elementene i x(k), de kan her regnes ut som i (2.2) med funksjonene f ( ) og den ulineære f 2 ( ), men uten støy. I dette punktet trenger en ikke gjøre linarisering! Vi får 5

x (k) = ˆx (k ) + T ˆx 2 (k ) (2.9) x 2 (k) = ˆx 2 (k ) + T g L sin(ˆx (k )) + T u(k ) ml2 Videre tar en elementene i P (k), som skrevet i oppgaven bør en ta dette til slutt siden det er lett å gå seg vill, men det er egentlig ganske greitt. Vi bruker Φ fra (2.4) og får P (k) = Φ ˆP (k )Φ T + Q (2.0) P (k) P 2 (k) T ˆP (k ) ˆP2 (k ) = T g P 2 (k) P 22 (k) L ˆP 2 (k ) ˆP22 (k ) ˆP (k ) + T = ˆP 2 (k ) ˆP2 (k ) + T ˆP 22 (k ) T g ˆP L (k ) + ˆP T g 2 (k ) ˆP L 2 (k ) + ˆP 22 (k ) T g L T T g L T q 0 + 0 q 2 + q 0 0 q 2 P (k) = ˆP (k ) + T ˆP 2 (k ) + T ˆP 2 (k ) + T 2 ˆP22 (k ) + q (2.) P 2 (k) = T g L ˆP (k ) + ˆP 2 (k ) + T 2 g L ˆP 2 (k ) + T ˆP 22 (k ) P 2 (k) = T g L ˆP (k ) + T 2 g L ˆP 2 (k ) + ˆP 2 (k ) + T ˆP 22 (k ) P 22 (k) = ( T g L )2 ˆP (k ) + T g L ˆP 2 (k ) + T g L ˆP 2 (k ) + ˆP 22 (k ) + q 2 Kalman-filterforsterkningsfaktorene blir noe enklere K (k) K 2 (k) Og dette gir da K(k) = P (k)d T (DP (k)d T + R) (2.2) P = (k) P 2 (k) ( P 0 (k) P 2 (k) P 2 (k) P 22 (k) 0 P 2 (k) P 22 (k) 0 K (k) P = (k) (P K 2 (k) P 2 (k) (k) + R ) ) +R K (k) = P (k) /( P (k) + R ) (2.3) K 2 (k) = P 2 (k) /( P (k) + R ) Aposteriori estimatet, ˆx(k), blir ˆx(k) = x(k) + K(k)y(k) Dx(k) (2.4) 6

ˆx (k) x (k) K (k) ( x (k) = + y(k) 0 ˆx 2 (k) x 2 (k) K 2 (k) x 2 (k) ˆx (k) x (k) K (k) (y(k) = + x (k) ) ˆx 2 (k) x 2 (k) K 2 (k) ) Altså ˆx (k) = x (k) + K (k) ( y(k) x (k) ) (2.5) ˆx 2 (k) = x 2 (k) + K 2 (k) ( y(k) x (k) ) Og til slutt nytt aposteriori-kovarians-estimat ˆP (k) = (I K(k)D) P (k) (2.6) ˆP (k) ˆP2 (k) ( 0 K (k) ) P = 0 (k) P 2 (k) ˆP 2 (k) ˆP22 (k) 0 K 2 (k) P 2 (k) P 22 (k) ˆP (k) ˆP2 (k) K (k) 0 P = (k) P 2 (k) ˆP 2 (k) ˆP22 (k) K 2 (k) P 2 (k) P 22 (k) ˆP (k) ˆP2 (k) ( K = (k))p (k) ( K (k))p 2 (k) ˆP 2 (k) ˆP22 (k) K 2 (k)p (k) + P 2 (k) K 2 (k)p 2 (k) + P 22 (k) Altså: ˆP (k) = ( K (k) ) P (k) (2.7) ˆP 2 (k) = ( K (k) ) P 2 (k) ˆP 2 (k) = P 2 (k) K 2 (k)p (k) ˆP 22 (k) = P 22 (k) K 2 (k)p 2 (k) 3 Blokkdiagram (Antall poeng for denne oppgaven er 0) 3.a (0 poeng) Ved å kalle signalet etter siste forsinkelseblokk for x(z) så har en at signalet mellom forsinkelseblokkene er zx(z) og signalet før første forsinkelseblokk er z 2 x(z). Dermed får vi for første summering u(z) + ax(z) = z 2 x(z) eller u(z) = (z 2 a)x(z). For andre summering har vi bx(z) + zx(z) = y(z) eller y(z) = (z + b)x(z). Dermed får vi h(z) = y(z) u(z) = z + b z 2 a = z + bz 2. (3.) az 2 7