Systemidentifikasjon Oppgaver

Like dokumenter
Systemidentifikasjon Oppgaver

Systemidentifikasjon Løsninger

Systemidentifikasjon

Tilstandsestimering Oppgaver

Tilstandsestimering Oppgaver

Control Engineering. State-space Models. Hans-Petter Halvorsen

Control Engineering. MathScript. Hans-Petter Halvorsen

Simuleringseksempel. Vi ønsker å simulere følgende system (vanntank) i MathScript: Matematisk modell:

Tilstandsrommodeller. Hans- Pe1er Halvorsen, M.Sc.

Control Engineering. Stability Analysis. Hans-Petter Halvorsen

SLUTTPRØVE (Teller 60% av sluttkarakteren)

Minste kvadraters metode i MATLAB og LabVIEW

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Industriell IT DATO: OPPG.NR.: LV4. LabVIEW Temperaturmålinger BNC-2120

Observer HANS-PETTER HALVORSEN, Telemark University College Department of Electrical Engineering, Information Technology and Cybernetics

Stabilitetsanalyse. Hans- Pe/er Halvorsen, M.Sc.

Tilstandsestimering Løsninger

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

MathScript. Hans- Pe1er Halvorsen, M.Sc.

Simulering i MATLAB og SIMULINK

Kalmanfilter HANS-PETTER HALVORSEN,

Tilstandsestimering Løsninger

Eksamensoppgave i TELE2001 Reguleringsteknikk

Frequency Response and Stability Analysis

Sammenlikningav simuleringsverktøyfor reguleringsteknikk

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Løsningsforslag Eksamen i MIK130, 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 MIK130, Systemidentifikasjon

Kapittel 6 Stabilitetsanalyse Oppgave 6.1 Stabilitetsegenskap for transferfunksjoner

Lineær analyse i SIMULINK

Løsningsforslag øving 4

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk ved Høgskolen i Sørøst- Norge

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

Frequency Response and Stability Analysis. Hans- Pe9er Halvorsen, M.Sc.

Simuleringsalgoritmer

TTK 4140 Reguleringsteknikk m/elektriske kretser Dataøving 1

Om tilpasning av funksjoner til observerte dataer

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

Øving 1 ITD Industriell IT

Matlab-tips til Oppgave 2

Oppgave 1.1. Den første er en klassiker. Studer figur A4.1 i vedlegg 1. Finn overføringsfunksjonen ved hjelp av manuelle, grafiske metoder.

FYS3240/4240 Forslag til prosjektoppgave for Lab 4: DAQ-øvelse med LabVIEW

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

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

SCE1106 Control Theory

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

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon

MIK-130 Systemidentifikasjon Løsningsforslag eksamen 28 mai 2004

2-Tank System. Telemark University College Department of Electrical Engineering, Information Technology and Cybernetics

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 11 Eulers metode. Løsningsforslag

Emnenavn: Industriell IT. Eksamenstid: 4 timer. Faglærer: Robert Roppestad

Ikke lineære likninger

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

2003/05-001: Dynamics / Dynamikk

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk

Del 1. Totank minimum forstyrrelse

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag for MAT-0001, desember 2009, UiT

1 Tidsdiskret PID-regulering

Computer Problem 1 TTK 4190 NavFart

R2 eksamen våren 2017 løsningsforslag

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

Eksamen i ELE620, Systemidentikasjon (10 sp)

Matematikk Eksamensaktuelle numerikk-oppgåver

Inst. for elektrofag og fornybar energi

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 It s learning. 1 En kort oppsummering Adaptiv filtrering 2. 3 Prediksjon 4

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Kybernetikk DATO: OPPG. NR.: R134 TEMPERATURREGULERING

TMA4245 Statistikk Eksamen desember 2016

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 10. oktober klokka 14:00 Antall oppgaver: 6. Oppgave 1

41070 STABILITET I ELKRAFTSYSTEMER

Test av USB IO-enhet. Regulering og HMI.

Stabilitetsanalyse i MATLAB og LabVIEW

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS3 MOTOR GENERATOROPPGAVE I

år i alder x i tid y i i=1 (x i x) 2 = 60, 9

Reguleringsteknikk med LabVIEW og MathScript eksempler

MAT1030 Diskret matematikk

Eksamen i MIK130, Systemidentifikasjon (10 sp)

STK2100. Obligatorisk oppgave 1 av 2

Løsning til eksamen i IA3112 Automatiseringsteknikk

Reg tek final exam formelsamling

Løsningsforslag for eksamen i VG1340 Matematikk 1MX eksamensoppgaver.org

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS4 FREKVENS OG SPRANGRESPONSANALYSE

Høgskoleni østfold EKSAMEN. Emnekode: Emne: ITD30005 Industriell IT. Dato: Eksamenstid: kl til kl. 1300

EKSAMEN I NUMERISK MATEMATIKK(TMA4215) Lørdag 20. desember 2003 Tid: 09:00 14:00, Sensur:

UNIVERSITETET I OSLO

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi STYRESYSTEMER OG REGULERINGSTEKNIKK

Kalmanfilter på svingende pendel

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

L12-Dataanalyse. Introduksjon. Nelson Aalen plott. Page 76 of Introduksjon til dataanalyse. Levetider og sensurerte tider

EKSAMENSFORSIDE Skriftlig eksamen med tilsyn

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

Biseksjonsmetoden. biseksjonsmetode. Den første og enkleste iterativ metode for ikke lineære likninger er den så kalt

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

Løsningsforslag til sluttprøven i emne IA3112 Automatiseringsteknikk

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Eksamen i SEKY3322 Kybernetikk 3

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Dynamiske systemer DATO: OPPG.NR.: DS4E. FREKVENS OG SPRANGRESPONSANALYSE Med ELVIS

Transkript:

University College of Southeast Norway Systemidentifikasjon Oppgaver HANS-PETTER HALVORSEN http://home.hit.no/~hansha

Innholdsfortegnelse 1 Innledning... 3 2 Minste kvadraters metode... 4 3 Validering... 15 2

1 Innledning Task 1: Systemidentifikasjon Hva er systemidentifikasjon? Hva kan systemidentifikasjon brukes til? Hvordan kan man identifisere et system? Task 2: Ulike metoder for systemidentifikasjon Nevn kort ulike metoder for systemidentifikasjon og hva som kjennetegner disse. Task 3: Prosedyre for systemidentifikasjon Nevn de ulike stegene som vanligvis inngår ved systemidentifikasjon. Tegn gjerne en skisse og forklar kort de ulike stegene som inngår. 3

2 Minste kvadraters metode Her kommer noen oppgaver ifm Minste kvadraters metode, eller Least Square method (LS) som det heter på engelsk. Task 4: Løse likningssett Gitt følgende likninger: x " + 2x % = 5 3x " + 4x % = 6 Sett opp likningene på formen Ax = b og løs likningssettet (x = A -" b). Bruk håndregning, samt kontroller svaret vha MathScript. Løs Likningssettet vha Minste kvadraters metode θ /0 = (Φ 3 Φ) -" Φ 3 Y Blir resultatet det samme? Task 5: Finn Minste kvadraters løsning Gitt der: Y = Φθ Φ = 0 1 1 1 1 1, Y = 1 1 0 Finn θ vha Minste kvadraters metode (penn og papir) Sjekk svaret vha MathScript og LabVIEW Kan systemet løses vha θ = Φ -" Y? 4

5 Minste kvadraters metode Task 6: Minste kvadraters metode Gitt følgende modell: y u = au + b Følgende verdier er funnet fra eksperimenter: y 1 = 0.8 y 2 = 3.0 y 3 = 4.0 Vi ønsker å finne de ukjente modellparametrene a and b ved å bruke Minste kvadraters metode. Finn a and b vha håndregning (penn og papir) Finn a and b vha MathScript Finn a and b vha LabVIEW Task 7: Kvadratisk kurve Vi har logget følgende data for et gitt system hvor datapunktene er tegnet som små sirkler o plottet nedenfor:

6 Minste kvadraters metode Som du ser av kurven har vi for 6 forskjellige verdier av u (pådraget) logget utgangen y(u). Ut fra formen på kurven ønsker vi å tilpasse dette til en 2.ordens modell på følgende form: y u = au % + bu + c Finn modellparametrene (a, b, c) basert på dataene gitt i plottet. Finn modellparametrene (a, b, c) vha Minste kvadraters metode ved å bruke følgende: 1. Håndregn ved å bruke penn & papir 2. Regn ut vha MathScript 3. Regn ut vha LabVIEW Tips! Sett systemet opp på følgende form (regresjonsmodell): Deretter på formen: og løs θ vha: y = φθ Y = Φθ

7 Minste kvadraters metode θ /0 = (Φ 3 Φ) -" Φ 3 Y Bruk MathScript til å plotte punktene over sammen med modellen i ett og samme plot (med innsatte verdier for a, b, c). Task 8: Skalering vha Minste kvadraters metode Gitt følgende varmluftsprosess: Systemet har følgende matematiske modell: T CDE = 1 θ E T CDE + K G u t θ I + T JKL hvor: u [V] er kontrollsignalet til varmeelementet θ E [s] er tidskonstanten til systemet K G [deg C / V] er varneelementets forsterkning θ I [s] er tidsforsinkelsen i systemet T JKL er romtemperaturen Vi ønsker å logge temperaturen vha en DAQ enhet som gir oss et spenningssignal mellom 1 5V. Dette signalet ønsker vi å konvertere til en temperaturverdi mellom 20 50, dvs. vi trenger å skalere 1 5V til 20 50.

8 Minste kvadraters metode Siden dette vil være en lineær skalering kan vi bruke følgende: y(x) = ax + b Vi ønsker å finne parametrene a og b for denne funksjonen vha Minste kvadraters metode. Vi har 2 punkter på linja: (x1, y1) = (1, 20) (x2, y2) = (5, 50) Sjekk svaret vha MathScript. Task 9: Dynamisk system Gitt følgende system: x = 1 x + Ku T der T er tidskonstanten til systemet K er f.eks Pumpeforsterkningen Sett opp systemet på formen y = φθ Implementer modellen i LabVIEW. Sett T = 5 og K = 2 og simuler systemet. Tips! Implementer modellen vha Simulation Subsystem og implementer systemet vha tilgjengelige blokker. Plot sprangresponsen for systemet. Finn transferfunksjonen for systemet: H s = x(s) u(s) Sammenlign og diskuter resultatet med sprangresponsen fra forrige deloppgave.

9 Minste kvadraters metode Bruk modellen som du implementerte i en tidligere deloppgave som utgangspunkt. Bruk denne til å logge input (u) og output data (x). Lagre de loggede dataene til fil vha Write To Measurement File. Forslag til løsning: Her er et utdrag fra koden i løsningsforslaget: Merk! dette må selvsagt implementeres i en (While) loop. Finn modellparametrene (T og K) vha Minste kvadraters metode i LabVIEW. Merk! Svaret bør da bli T 5 og K 2. Tips! Det kan være en god ide å splitte opp programmet i forskjellige logiske deler ved å bruke SubVIs i LabVIEW. Her er noen tips og triks for å hjelpe dere litt på vei: Hent Loggedata: Her er et utdrag fra løsningsforslaget:

10 Minste kvadraters metode Transformering av Y og Φ: Her er et utdrag fra løsningsforslaget: Hele poenget er å stable loggedatene på riktig måte og passe på at de har riktig dimensjon. Fra loggedatene lager vi nye vektorer, f.eks. trenger vi både x(k) og x(k + 1). Det er også mulighet for å manipulere/transformere loggedataene i f.eks. MS Excel. Finn Minste kvadraters løsning: Her er et utdrag fra løsningsforslaget: Vi finner parametrene vha formelen: θ /0 = (Φ 3 Φ) -" Φ 3 Y Task 10: Dynamisk system med tidsforsinkelse Gitt følgende system (med dødtid):

11 Minste kvadraters metode x = 1 x + Ku(t τ) T der T er tidskonstanten til systemet K er f.eks Pumpeforsterkningen τ er dødtiden i systemet. Sett opp systemet på formen y = φθ Gitt følgende loggedata (dataene er ikke realistiske) k u x 1 0.9 3 2 1.0 4 3 1.1 5 4 1.2 6 5 1.3 7 6 1.4 8 7 1.5 9 Vi har brukt følgende samplingstid: T s = 1s Ut fra en enkel sprangrespons har vi funnet dødtiden til å være: τ = 3. Sett systemet opp på formen Y = Φθ Finn modellparametrene (θ). Kontroller svaret vha MathScript. Implementer modellen i LabVIEW. Sett T = 5, K = 2, τ = 3 og simuler systemet. Tips! Implementer modellen vha Simulation Subsystem og implementer systemet vha tilgjengelige blokker. Plot sprangresponsen for systemet.

12 Minste kvadraters metode Finn transferfunksjonen for systemet: H s = x(s) u(s) Sammenlign og diskuter resultatet med sprangresponsen fra forrige deloppgave. Plott sprangresponsen for transferfunksjonen i MathScript. Tips! Bruk step() funksjonen. Bruk modellen som du implementerte i en tidligere deloppgave som utgangspunkt. Bruk denne til å logge input (u) og output data (x). Lagre de loggede dataene til fil vha Write To Measurement File. Merk! Dødtiden, τ finner vi vha en enkel sprangrespons. Finn modellparametrene (T og K) vha Minste kvadraters metode i LabVIEW. Merk! Svaret bør da bli T 5 og K 2. Finn PID parametre vha modellen for systemet og bruk Skogestad s metode. Merk! K er her prosessens totale forsterkning (dvs ikke den samme K som inngår i differensiallikningen av modellen vår). Task 11: Systemidentifikasjon av vanntank Gitt følgende system:

13 Minste kvadraters metode hvor h er nivået i vanntanken. Vi ønsker å finne modellparametrene for denne tanken vha. systemidentifikasjon. I systemidentifikasjon inngår ulike trinn. Forklar kort disse trinnene. Vi ønsker å logge data for systemet beskrevet ovenfor. Vi ønsker å logge nivået i tanken. Målesignalet fra vanntanken er 0 10V, mens det fysiske nivået er mellom 0 20cm. Vi trenger derfor å skalere signalet vi får fra DAQ enheten. Vi bruker følgende lineære skalering: y = ax + b Finn parametrene a and b vha. Minste kvadraters metode. Tip! Set systemet på formen Y = Φθ og løs a og b vha.: θ /0 = (Φ 3 Φ) -" Φ 3 Y Den matematiske modellen for vanntanken er gitt som: h = K " h + K % u Hvor h er nivået i tanken u er pådragssignalet til pumpa på innløpet (som vi bruker til å regulere nivået i tanken)

14 Minste kvadraters metode K " and K % er ukjente konstanter (som vi ønsker å finne) Sett systemet på følgende form: y = φθ Siden vi skal implementere dette I en datamaskin, må vi ha det på diskret form. Vi bruker Euler forover metoden: Hvor T g er samplingstiden. h k + 1 h(k) h T g Vi ønsker å finne modelparametrene (K " og K % ) and to do that we need to log input and output data for the system. Følgende data er gitt: k u[v] h[cm] 1 0.1 12 2 0.2 13 3 0.3 14 4 0.4 15 5 0.5 16 6 0.6 17 Samplingstid T g = 0.1s er brukt ved logging av dataene. Sett systemet på følgende form: Y = Φθ Bruk MathScript til å finne θ basert på dataene fra forrige deloppgave.

3 Validering Task 12: Validering Tegn og forklar hvordan du vil validere en modell. 15

Hans-Petter Halvorsen, M.Sc. E-mail: hans.p.halvorsen@hit.no Blog: http://home.hit.no/~hansha/ University College of Southeast Norway www.usn.no