background image

1

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja

Równania  otrzymane  w  procesie  modelowania  są 
najczęściej równaniami 

nieliniowymi

.

Ze  względu  na  łatwość  analizy  dąży  się  do 

zastąpienia

równań nieliniowych równaniami liniowymi.

Linearyzacja

 jest  procesem  tworzenia  modelu  liniowego, 

który aproksymuje model nieliniowy.

background image

2

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja

Liniowość  i  nieliniowość  to  właściwości  systemu,  które  są 

związane ze strukturą równań opisujących ten system.

Metody linearyzacji:

uproszczenia,
rozkład w szereg Taylora,
małych odchyleń od ruchu bazowego,
z zastosowaniem identyfikacji.

background image

3

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja

Założenia

 to  te  warunki,  które  określają  zakres  ważności 

modelu,  a  więc 

zmniejszają  zakres  ogólności  modelu

np.: 

zwoje  sprężyny  nigdy  nie  są  zblokowane  (nigdy  nie 

stykają się),
kąt wychylenia wahadła w  rozpatrywanym ośrodku nie 

jest większy niż 7

o

.

background image

4

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja

Uproszczenia

 to 

te 

warunki, 

które 

pogarszają 

dokładność modelu

, przez to że zezwalają na pominięcie 

w  modelu  fizycznym  określonych  zjawisk,  o  których 

sądzimy  że  w  danych  konkretnych  warunkach  mało 

wpływają  na  dokładność  odwzorowania  oryginału  przez 

jego model, np.:

do  obliczeń  przyjmuje  się,  że  w  sprężynie  śrubowej 

dominujące  są  naprężenia  skręcające,  zatem  pomija 

się  naprężenia  zginające,  ścinające  i  ściskające  i 

pomija  się  w  związku  z  tym  odkształcenia  wywołane 

tymi naprężeniami,
pomijamy  wydłużanie  linki  na  której  zawieszona  jest 

masa, pomijamy tarcie linki o uchwyt mocujący.

background image

5

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja

Uproszczenia  wynikają  z  przyjętych  założeń,  a  o  ich 

dopuszczalności decyduje żądana dokładność modelu.

W  konkretnym  przypadku  założenia  są  spełnione 

(prawdziwe)  lub  nie  są,  tymczasem  uproszczenia  są 

prawomocne  tylko  w  pewnym  stopniu,  i  ich  uchylenie 

zawsze  spowoduje  poprawę  wierności  modelu.  Natomiast 

nie  spełnienie  założeń  powoduje  iż  model  w  ogóle 

przestaje być ważny.

background image

6

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – uproszczenia

Metody linearyzacji: uproszczenia

d

2

dt

2

g

l

sin=0

Model nieliniowy:

Założenie: 



7

o

Uproszczenie: 

sin=

d

2

dt

2

g

l

⋅=

0

Model liniowy:

background image

7

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – uproszczenia

¨ k

m

˙ g

l

sin=0

Model nieliniowy:

Model liniowy:

¨ k

m

˙ g

l

=

0

background image

8

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

Metody linearyzacji: rozkład w szereg Taylora

Dany jest pewien nieliniowy model systemu w postaci równań stanu i 

równania wyjścia:

˙= X ,U 

Dany jest pewien ustalony punkt pracy systemu:

 X

0,

U

0

=

0

Przyjmujemy, że:                          ,                           oraz     

X

0



X U =U

0



U

Wobec tego dla pierwszego równania możemy zapisać:

˙= X

0



X ,U

0



= X ,U 

 X

0,

U

0

=

G

0

=Y

0



Y

background image

9

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

 ˙

= X

0,

U

0



F

X

X

0,

U

0

⋅

F

U

X

0,

U

0

⋅

R.

X

0



X

Różniczkujemy obustronnie równanie 

otrzymamy:

˙= ˙X

0

 ˙

X

Ponieważ:

˙X

0

=

 X

0,

U

0

=

0

to 

˙= ˙X

 ˙

=

F

X

X

0,

U

0

⋅

F

U

X

0,

U

0

⋅

U

Rozkład w szereg Taylora:

background image

10

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

Ostatecznie:

 ˙

=

F

X

X

0,

U

0

⋅

F

U

X

0,

U

0

⋅

U

 ˙

=A⋅ B⋅U

gdzie:

A=

f

1

x

1

f

1

x

n

f

n

x

1

f

n

x

n

X

0,

U

0

B=

f

1

u

1

f

1

u

m

f

n

u

1

f

n

u

m

X

0,

U

0

background image

11

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Y

0



= X

0,

U

0



G

X

X

0,

U

0

⋅

G

U

X

0,

U

0

⋅

R.

=

G

X

X

0,

U

0

⋅

G

U

X

0,

U

0

⋅

U

Dla drugiego równania możemy zapisać:

Y

0

=

 X

0,

U

0

=

G

0

=Y

0



Y

= X

0



X ,U

0



Rozkład w szereg Taylora:

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

= X

0



X ,U

0



background image

12

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

=

G

X

X

0,

U

0

⋅

G

U

X

0,

U

0

⋅

U

Ostatecznie:

=C⋅ D⋅U

gdzie:

C=

g

1

x

1

g

1

x

n

g

p

x

1

g

p

x

n

X

0,

U

0

D=

g

1

u

1

g

1

u

m

g

p

u

1

g

p

u

m

X

0,

U

0

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

background image

13

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Ostatecznie  uzyskaliśmy  liniowy  model  przyrostowy,  który 

odpowiada  modelowi  nieliniowemu  tylko  w  bliskim 

otoczeniu ustalonego punktu pracy.

=C⋅ D⋅U

 ˙

=A⋅ B⋅U

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

background image

14

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Przykład.

{

˙x

1

=

x

2

˙x

2

=−

x

1

x

3

2

u

1

˙x

3

=−

x

1

x

2

x

3

u

2

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

Dany jest pewien ustalony punkt pracy systemu:

˙x

10

= ˙x

20

= ˙x

30

=

0, u

10

=

3, u

20

=

0.5

Pozostałe  parametry  punktu  pracy  znajdziemy  wstawiając  podane 
warunki do równań, otrzymamy

x

10

=

0, x

20

=

0, x

30

=

1

{

˙x

1

=

f

1

x

1,

x

2,

x

3,

u

1,

u

2

˙x

2

=

f

2

x

1,

x

2,

x

3,

u

1,

u

2

˙x

3

=

f

3

x

1,

x

2,

x

3,

u

1,

u

2

background image

15

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

A=

0

1

0

2

0 −6 x

3

x

2

x

1

1

X

0,

U

0

=

0 1

0

2 0 −6
0 0 −1

B=

0 0
1 0
0 2

 ˙

=A⋅ B⋅U

A=

f

1

x

1

f

1

x

2

f

1

x

3

f

2

x

1

f

2

x

2

f

2

x

3

f

3

x

1

f

3

x

2

f

3

x

3

X

0,

U

0

B=

f

1

u

1

f

1

u

2

f

2

u

1

f

2

u

2

f

3

u

1

f

3

u

2

X

0,

U

0

background image

16

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

{

˙x

1

=

x

2

˙x

2

=−

x

1

x

3

2

u

1

˙x

3

=−

x

1

x

2

x

3

u

2

Model nieliniowy:

background image

17

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – rozkład w szereg Taylora

Model liniowy:

 ˙

=A⋅ B⋅U

A=

0 1

0

2 0 −6
0 0 −1

B=

0 0
1 0
0 2

background image

18

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Metody linearyzacji: zastosowanie identyfikacji

Rozpatrujemy liniowy układ dynamiczny opisany 

równaniem:

Zmienne      i       w każdym momencie można zmierzyć. 
Na  podstawie  wyników  obserwacji  należy  określić 

niewiadome parametry macierzy A oraz macierzy B 

X

U

U

X

˙=ABU

∈ R

n

∈ R

m

A

nxn

B

nxm

background image

19

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Dokonujemy S pomiarów.
Dla każdego pomiaru o numerze j otrzymamy:

˙

X

j

=

AX

j

BU

j

1, s

X

j

=

t

j

U

j

=

t

j

˙

X

j

=

˙x

1j

˙x

2j

˙x

nj

X

j

=

x

1j

x

2j

x

nj

U

j

=

u

1j

u

2j

u

mj

background image

20

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Zbierając razem wszystkie pomiary możemy zapisać:

Ze  względu  na  niedoskonałość  pomiarów  oraz  inne 

czynniki układ jest sprzeczny, nie ma rozwiązania. 

Można jednak mówić o istnieniu pseudorozwiązania      i    .

A

{

˙

X

1

=

AX

1

BU

1

˙

X

2

=

AX

2

BU

2

˙

X

S

=

AX

S

BU

S

B

background image

21

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Podstawienie pseudorozwiąznia daje odpowiednie 

odchyłki:

Obierzmy funkcję celu w postaci:

=

j=1

S

∥∥

2

{

1

= ˙

X

1

− 

A X

1

− 

B U

1

2

= ˙

X

2

− 

A X

2

− 

B U

2

S

= ˙

X

S

− 

A X

S

− 

B U

S

=

j=1

S

˙

X

j

− 

A X

j

− 

B U

j

T

˙

X

j

− 

A X

j

− 

B U

j

background image

22

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Poszukiwane rozwiązanie zadania identyfikacji parametrów 

musi spełniać warunek:

=∥∥

2

min

Warunek optimum:

J

∂ 

A

=

;

J

∂ 

B

=

0

background image

23

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Pochodna  skalara   po  macierzowym  argumencie  jest 

macierzą: 

J

∂ 

A

=

J

a

11

J

a

1n

J

a

n1

J

a

nn

;

J

∂ 

B

=

J

b

11

J

b

1m

J

b

n1

J

b

nm

background image

24

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Normalne  równanie  metody  najmniejszych  kwadratów 

przyjmie postać:

{

j=1

S

˙

X

j

− 

A X

j

− 

B U

j

X

j

T

=

0 

J

∂ 

A

=

0

j=1

S

˙

X

j

− 

A X

j

− 

B U

j

U

j

T

=

0 

J

∂ 

B

=

0

background image

25

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Podstawiając:

{

j=1

S

˙

X

j

A∣ B

Z

j

X

j

T

=

0

j=1

S

˙

X

j

A∣ B

Z

j

U

j

T

=

0

otrzymamy:

Z

j

=

X

j

U

j

co w postaci jednego równania przyjmie postać:

j=1

S

˙

X

j

A∣ B

Z

j

Z

j

T

=

0

background image

26

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Po przekształceniach otrzymamy:

podstawiając:

otrzymamy:

j=1

S

˙

X

j

Z

j

T

A∣ B

j=1

S

Z

j

Z

j

T

=

0

R

S

=

j=1

S

˙

X

j

Z

j

T

P

S

=

j=1

S

Z

j

Z

j

T

=

A∣ B

R

S

=

CP

S

=R

S

P

S

1

dim R

S

=

n×nm

dim P

S

=

nm×nm

dim C=n×nm

Z

j

=

X

j

U

j

background image

27

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

otrzymamy:

R

S

= ˙

X

Z

T

=

A∣ B

R

S

=

CP

S

=R

S

P

S

1

Z

j

=

X

j

U

j

˙

X

=

˙

X

1

˙

X

2

˙

X

s

oznaczając:

Z

=

Z

1

Z

2

Z

s

P

S

=

Z

Z

T

background image

28

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Model nieliniowy

lub

Obiekt rzeczywisty

Identyfikacja

Model liniowy

Zebranie danych

pomiarowych

˙=ABU

˙= X ,U 

= X ,U 

∈ R

n

∈ R

m

A

nxn

B

nxm

background image

29

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

Model nieliniowy

lub

Obiekt rzeczywisty

Identyfikacja

Model liniowy

Zebranie danych

pomiarowych

˙=AX

∈ R

2

A

2x2

¨ k

m

˙ g

l

sin=0

background image

30

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

x

10

=

x

20

=

2

tp=0.001
=15000

A=

0.004

1.001

4.004 −0.997

background image

31

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

x

10

=

x

20

=

2

tp=0.01
=1500

A=

0.0402

1.0097

4.0394 −0.9702

background image

32

MODELOWANIE I SYMULACJA

Szczecin - 5.01.2009

Model dynamiczny – linearyzacja – zastosowanie identyfikacji

x

10

=

x

20

=

2

tp=0.1
=150

A=

0.4235

1.0675

4.3424 −0.7180