Kap 8 - Empirisk modellering. Två grundprinciper för att bygga matematiska modeller (kombineras ofta!):



Relevanta dokument
Modellbygge och simulering av L. Ljung och T. Glad - Kap 1-2

Modellering av Dynamiska system Bengt Carlsson Rum 2211

TSRT62 Modellbygge & Simulering

Parameterskattning i linjära dynamiska modeller. Kap 12

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Föreläsning 9: Hypotesprövning

Föreläsning 14: Försöksplanering

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Modellering av Dynamiska system Bengt Carlsson Rum 2211

5B1816 Tillämpad mat. prog. ickelinjära problem. Optimalitetsvillkor för problem med ickelinjära bivillkor

Modellering av Dynamiska system Bengt Carlsson Rum 2211

Kap 10 - Modeller med störningar. Hur beskriva slumpmässiga störningar?

TT091A, TVJ22A, NVJA02 By, Pu, Ti. 50 poäng

Statistik 1 för biologer, logopeder och psykologer

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341/LIMAB6, STN2) kl 08-13

Ekvationssystem, Matriser och Eliminationsmetoden

Tentamen SSY041 Sensorer, Signaler och System, del A, Z2

Sammanfattning av föreläsning 4. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 5. Identifiering av olinjära modeller

u(t) = u 0 sin(ωt) y(t) = y 0 sin(ωt+ϕ)

Finansiell Statistik (GN, 7,5 hp,, HT 2008) Föreläsning 7. Multipel regression. (LLL Kap 15) Multipel Regressionsmodellen

Signalanalys med snabb Fouriertransform

Datorövning 3: Icke-parametriska test

a n = A2 n + B4 n. { 2 = A + B 6 = 2A + 4B, S(5, 2) = S(4, 1) + 2S(4, 2) = 1 + 2(S(3, 1) + 2S(3, 2)) = 3 + 4(S(2, 1) + 2S(2, 2)) = = 15.

HT 2011 FK2004 Tenta Lärare delen 4 problem 6 poäng / problem

ARIMA del 2. Patrik Zetterberg. 19 december 2012

Linjära system av differentialekvationer

Mätningar på op-förstärkare. Del 3, växelspänningsförstärkning med balanserad ingång.

David Wessman, Lund, 30 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 5. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Övningshäfte i matematik för. Kemistuderande BL 05

Mätning av effekter. Vad är elektrisk effekt? Vad är aktiv-, skenbar- reaktiv- medel- och direkteffekt samt effektfaktor?

Tentamen SSY040/041, del B Sensorer, Signaler och System, Z2

Föreläsning 8 och 9. insignal. utsignal. Tvåport. Hambley avsnitt

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 4: Kalmanfiltret & det slutna systemet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 3. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts.

DOP-matematik Copyright Tord Persson. Bråktal Läs av vilka tal på tallinjen, som pilarna pekar på. Uppgift nr

Kvalster. Korrelation och regression: lineära modeller för bivariata samband. Spridningsdiagram. Bivariata samband

Kapitel 6. f(x) = sin x. Figur 6.1: Funktionen sin x. 1 Oinas-Kukkonen m.fl. Kurs 6 kapitel 1

7. SAMHÄLLSORIENTERING ÅK 5

LAGERBLANDNINGSLÄGEN

Sammanfattning av kursdag 2, i Stra ngna s och Eskilstuna

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Sammanfattning på lättläst svenska

Ellära. Laboration 1 Mätning av ström och spänning

Lathund, procent med bråk, åk 8

732G71 Statistik B. Föreläsning 2. Bertil Wegmann. November 13, IDA, Linköpings universitet

Mätosäkerhet vid förstörande provning

Enkätresultat för elever i åk 9 i Borås Kristna Skola i Borås hösten Antal elever: 20 Antal svarande: 19 Svarsfrekvens: 95% Klasser: Klass 9

konstanterna a och b så att ekvationssystemet x 2y = 1 2x + ay = b 2 a b

Multimeter och räknare Del 1: Multimetern. Multimeter

Beskrivning av signaler i frekvensdomänen - sammanfattning

1. Frekvensfunktionen nedan är given. (3p)

3.1 Linjens ekvation med riktningskoefficient. y = kx + l.

Systematiskt kvalitetsarbete

Strukturen i en naturvetenskaplig rapport

Träning i bevisföring

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y (TSRT12)

Linjära system av differentialekvationer

Experimentell metodik

När jag har arbetat klart med det här området ska jag:

Något om permutationer

Idag: Dataabstraktion

Idag. Hur vet vi att vår databas är tillräckligt bra?

ANVÄNDARHANDLEDNING FÖR

Vetenskapliga begrepp. Studieobjekt, metod, resultat, bidrag

Läraren som moderator vid problemlösning i matematik

912 Läsförståelse och matematik behöver man lära sig läsa matematik?

Manual. Rapportera väntetider i systemet Utbudstjänst SLL

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

Skriva B gammalt nationellt prov

1 Navier-Stokes ekvationer

Institutionen för matematik Envariabelanalys 1. Jan Gelfgren Datum: Fredag 9/12, 2011 Tid: 9-15 Hjälpmedel: Inga (ej miniräknare)

POL 102 VT07, Polska, språkfärdighet I

k x om 0 x 1, f X (x) = 0 annars. Om Du inte klarar (i)-delen, så får konstanten k ingå i svaret. (5 p)

Utvärdering APL frågor till praktikant

Arbetsbeskrivning, att förbereda för studenternas registrering kommande termin. 1. Studenter antagna på fristående kurs 2

Index vid lastbilstransporter

Enkätresultat för vårdnadshavare till elever i Centralskolan Söder 4-9 i Grästorp hösten Antal svar: 50

TIMREDOVISNINGSSYSTEM

Laborationspecifikation

Nedfrysning av spermier. Information om hur det går till att lämna och frysa ned spermier.

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

Enkätresultat för elever i år 2 i Nösnäsgymnasiet 2 i Stenungsund våren 2014

Vi skall skriva uppsats

Enkätresultat för elever i år 2 i Mega Musik gymnasium hösten Antal elever: 47 Antal svarande: 46 Svarsfrekvens: 98% Klasser: MM13

Tränarguide del 1. Mattelek.

Enkätresultat för elever i år 2 i Praktiska Skövde i Praktiska Sverige AB hösten 2014

Sveriges Trafikskolors Riksförbund Film om körkort för nysvenskar Speakertext - Svensk

Snapphanalegen. Firekángabogena. Spelregler. (4 spelare)

Partnerskapsförord. giftorättsgods görs till enskild egendom 1, 2. Parter 3. Partnerskapsförordets innehåll: 4

Snabbslumpade uppgifter från flera moment.

Viktig information till dig som söker till Ämneslärarprogrammet höstterminen 2011

Uppgift

Får nyanlända samma chans i den svenska skolan?

Reglerteori. Föreläsning 3. Torkel Glad

LPP laboration. Förmågor: Centralt innehåll: Kunskapskrav:

Kundservicerapport Luleå kommun 2015

Använda Esri Sveriges svenska baskartor i ArcGIS Online och ArcMap som administratör

För unga vuxna Vuxenutbildning. Den svenska skolan för nyanlända

Kriterium Kvalitet 1 Kvalitet 2 Kvalitet 3 Kvalitet 4 Använda, Utveckla och uttrycka

Transkript:

Kap 8 - Empirisk modellering Två grundprinciper för att bygga matematiska modeller (kombineras ofta!): 1 Fysikaliskt modellbygge. Använd naturlagar (massbalans, energibalans, Newtons lagar etc etc). Ibland behövs hypoteser och empiriska samband). Se Kap 2! Empirisk modellering (annat namn: Systemidentifiering) Ide : Utnyttja observationer (mätningar) från systemet för att anpassa en model.

Fysikaliskt modellbygge: - Ofta svårt + Ofta en modell med stort giltlighetsområde. + Ger fysikalisk insyn, och modeller där parametrarna har fysikalisk mening. 2 Systemidentifiering/Empirisk modellering: + Lätt" - Ofta begränsat giltlighetsområde. Ofta vettig ansats: Modellera det som går med fysikalisk insikt använd sedan systemidentifiering för att bestämma okända parametrar, Grey box modelling.

Modellverifiering - mycket översiktligt i denna kurs En modell är användbar först då dess giltlighet har testats och fastställts. OBS Alla modeller har ett begränsat giltlighetsområde. 3 Strikt talat kan inte modeller valideras, de kan bara icke-falsifieras. Jämför hypotesprövning i statistik. Praktiskt: Jämför modellens uppförande (utsignal) med systemets och utvärdera skillnaden: Är modellen tillräckligt noggrann givet syftet med modelleringen? We should make things as simple as possible, but not simpler - Einstein

8.1.1 Impuls- och stegsvar Impulssvar:u(t) = δ(t) y(t) = g(t) Stegsvar:u(t) = u 0 fort > 0 y(t) = u 0 t 0 g(τ)dτ 4 + Snabb översikt över dynamiken. Tidsskala, orsak-verkan. Oprecis information. Känslig för störningar. Viktigt att kunna: BestämmaK ocht i systemetg(s) = K s+t från ett stegsvar.

8.1.2 Frekvensanalys Linjärt system entydigt bestämt av sitt frekvenssvarg(iω). För ett linjärt kontinuerligt system gäller att (då transienten dött ut): u(t) = u 0 sin(ωt) y(t) = y 0 sin(ωt+ϕ) 5 där y 0 = G(iω) u 0 ϕ = argg(iω) Skatta frekvenssvaret genom att använda sinussignaler med olika frekvens som insignal och mät utsignalens amplitud och fasvridning.

Frekvensanalys - sammanfattning + Lätt att använda. + Enda antagandet är att systemet är linjärt. 6 + Lätt att undersöka intressanta frekvensområden - Resulterar i tabell/graf. - Ej praktiskt genomförbart att analysera alla frekvenser. Långsamt. - Inte alltid tillåtet att använda sinussignaler i en process.

8.1.3 Spektralanalys - överkurs För ett linjärt dynamiskt system gällery(s) = G(s)U(s), ersätt s mediω ger följande samband mellan in- och utsignalernas fouriertransformer: 7 Y(iω) = G(iω)U(iω) vilket ger G(iω) = Y(iω) U(iω) Spektralanalys: Skatta signalernas fouriertransformer.

I praktiken har vi endast tillgång till ett ändligt antal samplade värden av in- och utsignalen vilket gör den tidsdiskreta fourierserien (TDF) används 8 Y TDF (iω) = U TDF (iω) = Vi kan då forma skattningen N y(k)e iωk k=1 N u(k)e iωk k=1 Ĝ(iω) = Y TDF(iω) U TDF (iω) Avvägning måste göras mellan bruskänslighet ( fladdrighet ) och frekvensupplösning (förmåga att särskilja två närliggande frekvenstoppar).

8.2 Linjär regression (ej på tentan, examineras med obl Inlupp) Modellstuktur: ŷ(k) = ϕ T (k)θ (1) 9 Ex FIR-modell: ŷ(k) = b o u(k)+b 1 u(k 1)+...+b n u(k n) ϕ(k) = (u(k) u(k 1)...u(k n)) T θ = (b o b 1...b n ) T

ARX-modellen y(k) + a 1 y(k 1)+a 2 y(k 2)+...+a na y(k na) = b o u(k)+b 1 u(k 1)+...+b nb u(k nb)+e(k) 10 Prediktorn för ARX-modellen fås genom att flytta över allt utom y(k) till HL och stryka brustermene(k) dvs ŷ(k) = a 1 y(k 1)... a na y(k na) +b o u(k)+...+b nb u(k nb) ϕ(k) = ( y(k 1)... y(k na) u(k)...u(k nb)) T θ = (a 1...a na b o...b nb ) T

AR-modellen En modell för en stokastisk tidsserie kan enkelt fås genom att sättau = 0 i ARX prediktorn. Detta ger (AR-prediktorn): ŷ(k) = a 1 y(k 1) a 2 y(k 2)... a na y(k na) 11 ϕ(k) = ( y(k 1) y(k 2)... y(k na)) T θ = (a 1 a 2...a na ) T En utvidgning av AR-modellen är ARMA-modellen som vi dock inte tar upp i denna översikt.

Minstakvadratmetoden Antag uppmätt dataserie{y(k),ϕ(k)} k=1,...,n. Kriterium: V(θ) = N (y(k) ŷ(k)) 2 = k=1 N (y(k) ϕ T (k)θ) 2 (2) k=1 Detθ som minimerar (2) ges av: 12 N ˆθ N = [ ϕ(k)ϕ T (k)] 1 ϕ(k)y(k) (3) k=1 k=1 OBS, matrisen[ N k=1 ϕ(k)ϕt (k)] 1 måste kunna inverteras! I praktiken minimeras inte kriteriet (2) frånk = 1 utan man använder N V(θ) = (y(k) ϕ T (k)θ) 2 (4) k=n1 därn1 väljs så stor attϕ T (n1) kan fyllas med uppmätta data.

Minstakvadratmetoden - matrisformulering 13 Inför Y = Φ = y(n1). y(n) ϕ T (n1). ϕ T (N) Minstakvadratlösningen kan skrivas ˆθ = [Φ T Φ] 1 Φ T Y (5) Minstakvadratlösningen i Matlab: >> theta_hat=phi\y

Modellkvalite Huvudantaganden: Antagande A1a. Data kommer från ett system givet av 14 y(k) = ϕ T (k)θ o +v(k) k = 1,...,N (6) därv(k) är en omätbar slumpmässig störning ( brus ). Antagande A1b. MatrisenR N = N k=1 ϕ(k)ϕt (k) är inverterbar

Två typer av fel: 15 Biasfel (systematiskt fel). Försvinner inte även om vi använder oändligt många mätningar för att skatta modellens parametrar. Variansfel. Beror på att mätningar påverkas av brus. Variansfelet minskar med antal data som används i skattningen.

Biasfelet FIR modeller Antaganden: Antagande A2. Störningen ( bruset )v(k) i (6) har medelvärde noll dvs E{v(k)} = 0. 16 Antagande A3. v(k) är okorrelerad medu(k). Resultat Antag att A1-A3 här uppfyllda. Då gäller att minstakvadratskattningen ˆθ är en medelvärdesriktig (unbiased) skattning avθ o d.v.s.e{ˆθ} = θ o.

Variansfelet för FIR-modeller Antag att A1, A3 och A4 (bruset vitt med variansλ) är uppfyllda. Notera att vi alltså antar att bruset är vitt med varians Som tidigare betecknar ˆθ den skattade parametervektorn. Då gäller att 17 var(ˆθ i ) = P i,i i = 1,... n (7) därp i,i betecknar i te diagonalelementet i (kovarians)matrisen N P = λ[ ϕ(k)ϕ T (k)] 1 k=1

Bias- och variansfelet för AR/ARX-modeller* 18 Tas inte upp här

Val av modellstruktur och modellordning (8.5) Praktiskt mkt viktigt! 19 Hur hitta en bra modellstruktur? Hur många parametrar ska modellen ha? Hur förhindar överanpassning ( overfit )? => Behöver läsa (minst) en till kurs.

Mera empirisk modellering 20 Period 51 (41): Empirisk modellering: 10 hp kurs för STS (W och ES). Teori + projektarbete (skatta dynamiska modeller från riktiga mätdata). 50 STS-studenter läste kursen 2015! Statistisk maskininlärning 5 hp, per 3: Ny kurs för STS!