background image

Podejście parametryczne i nieparametryczne   

w identyfikacji systemów

 

To pytanie można interpretować na dwa sposoby: 

 

Zagadnienia Hasiewiczowskie i laboratoria Wachela 

 

Zagadnienia Czemplikowskie – identyfikacja systemów dynamicznych 

Podczas odpowiedzi skupmy się na Hasiewiczu, ale nie dajcie się zagiąć na Czemplik. Dołączony 

jest pdf z jej skondensowanymi slajdami. 

 

W  zadaniu  identyfikacji  parametrycznej  przyjmuje  się  na  wstępie  pewien  model 

identyfikowanego  systemu.  Za  pomocą  procedury  identyfikacyjnej  wyznacza  się  skończoną 

liczbę  parametrów  tego  modelu.  Jednak  zaproponowanie  uniwersalnego  modelu 

matematycznego  niektórych  nieliniowych  zjawisk  jest  niemożliwe,  lub  tak  kłopotliwe,  że 

wygodniejszym  podejściem  jest  identyfikacja  nieparametryczna  tzn.  odtwarzanie 

identyfikowanej charakterystyki punkt po punkcie na podstawie skończonej liczby pomiarów. 

 

1 Podejście parametryczne

 

1.1  Zadanie parametryczne 

Przykładem  identyfikacji  parametrycznej  jest  wykorzystanie  zależności  między  wielkościami 

statystycznymi dla danego rozkładu. Przykładowo: 

Ponieważ dla rozkładu wykładniczego o gęstości 

 
 

 

   

 okazuje się, że wartość oczekiwana jest 

równa 

 
 

,  a  świetnym  estymatorem  EX  jest  średnia  arytmetyczna,  to  obliczywszy  średnią  z 

pomiarów  można  wyestymować  sobie  gęstość  tego  rozkładu,  a  z  niego  dystrybuantę  itd. 

Trzeba jednak a priori mieć pewność co do postaci funkcji gęstości. 

 

1.2  Metoda najmniejszych kwadratów (ang. least squares) 

1.2.1  Kroki 

 

Wybór stopnia wielomianu aproksymującego 

 

zapisanie równania całego systemu w postaci Y = Xa 

 

przekształcenie równania do postaci: 

X

T

 Y = X

T

Xa 

a = (X

T

X)

-1

X

T

 Y 

background image

Podejście parametryczne i nieparametryczne w identyfikacji systemów

 

 

 

W zależności od tego, którego stopnia wielomianem będzie przybliżanie, np dla stopnia trzeciego macierz 
X jest zbudowana z czterech kolumn: 
[x

x

2

 x

1

 x

0

Gdzie te iksy są to pionowe wektory składające się z punktów pomiarowych (same iksy). Czyli np IQ. 
[1   1  1  1]  

 

Pierwszy pomiar 

[8   4  2  1]   

 

Drugi pomiar 

[27 9  3  1] 

 

Trzeci pomiar 

 
 
Wektor Y to po prostu igrek z pomiarów, 
czyli np. ocena z matematyki. 
Symbol a oznacza wektor współczynników 
wielomianu aproksymującego. 
 
Gdy wymnożymy zgodnie z równaniem to 
wyjdzie wektor współczynników. Obok 
przykład dla aproksymacji wielomianem 
pierwszego rzędu. 
Modyfikacje tej metody jawią się jako : 

 

MNK - system Hammersteina 

 

MNK - system Wienera 

 

MNK - liniowy system statyczny 

Ich naturalnym środowiskiem występowania jest opracowanie w pdfie Michała Marzyńskiego. 

2  Podejście nieparametryczne 

2.1  Metoda regresji jądrowej – estymator Nadaraya-Watsona 

Funkcję estymuje się w kolejnych punktach zgodnie ze wzorem: 

 

Jest funkcja jądra K(x), którą nakłada się na przebieg z przesunięciem o Xi, gdzie Xi to bieżący 

punkt estymowany. Funkcja jądra jest symetryczna całkowalna w całej dziedzinie i całkuje się 

do  1.  Jak  się  wymnoży  przez  cały  przebieg  tą  funkcję  jądra  to  wyjdzie,  że  największy  wpływ 

mają próbki w  pobliżu Xi zgodnie  z wagą jądra. Wtedy trzeba wszystko zsumować i podzielić 

(bo funkcja jądra z tych wszystkich punktach nie będzie sumować się do jedynki). 

2.2  h - parametr wygładzania 

  przy h 

-> 0 Nh -> ∞ 

2.3  Podsumowanie metody regresji 

 

Estymator jądrowy regresji charakteryzuje się bardzo duża odpornością na zaszumienie 

charakterystyki  odniesienia,  jednak  wymaga  wykonania  stosunkowo  dużej  liczby  par 

obserwacji (punktów z charakterystyki odniesienia). 

 

Wyniki estymacji są w pewien sposób uzależnione od doboru funkcji jądra. 

background image

Podejście parametryczne i nieparametryczne w identyfikacji systemów

 

 

 

2.4  K-NN – K najbliższych sąsiadów 

Metoda  dla  systemów  dyskretnych,  w  których  niekoniecznie  pomiar  jest  zbierany  z  równym 

odstępem  czasu.  Wartość  funkcji  w  kolejnych  punktach  jest  równa  średniej  z  K  najbliższych 

sąsiadów. Oznacza to, że trzeba wziąć K punktów, które leżą na osi X najbliżej estymowanego 

punktu (najbliżej w dziedzinie czasu) i uśrednić odpowiadające im wartości Y. 

Estymator działa jak filtr dolnoprzepustowy, im większe K tym większe tłumienie. 

Dość skuteczny i prosty w implementacji.