 |
ABORDARI EXPERIMENTALE DE IDENTIFICARE A PROCESELOR SI FENOMENELOR |
| CUPRINS: Notatii si abrevieri 1. Trusa de instrumente IDENT din cadrul mediului de programare MATLAB 1.1. Privire de ansamblu 1.2. Obiectele de baza din cadrul trusei IDENT A. Obiectul IDDATA B. Obiectul IDMODEL C. Obiectul IDSS 1.3. Functii frecvent utilizate ale trusei IDENT A. Functiile armax si arx B. Functia pem C. Functiile bj si oe D. Functia iv4 E. Functia levinson F. Functia n4sid G. Functiile sim si predict H. Functia compare 1.4. Interfata grafica a trusei IDENT 1.5. Exercitii propuse 1.6. Probleme de simulare 2. Caracterizari in timp si frecventa ale proceselor stocastice 2.1. Procese stocastice total neautocorelate (zgomotul alb) 2.2. Procese stocastice autocorelate (zgomote colorate) 2.3. Contextul abordarilor experimentale 2.4. Exercitii propuse 2.5. Probleme de simulare 3. Identificarea modelelor ne-parametrice 3.1. Analize de proces prin metode neparametrice A. Analiza tranzitorie B. Analiza in frecventa C. Analiza bazata pe corelatie D. Analiza spectrala 3.2. Contextul abordarilor experimentale 3.3. Exercitii propuse 3.4. Probleme de simulare 4. Identificare parametrica prin Metoda Celor Mai Mici Patrate 4.1. Breviar al Metodei Celor Mai Mici Patrate 4.2. Contextul abordarilor experimentale 4.3. Exercitii propuse 4.4. Probleme de simulare 5. Identificare parametrica prin Metoda Variabilelor Instrumentale 5.1. Breviar al Metodei Variabilelor Instrumentale 5.2. Criterii de alegere a structurii modelelor 5.3. Criterii de validare a modelelor A. Validarea modelelor determinate cu ajutorul MCMMP B. Validarea modelelor determinate cu ajutorul MVI 5.4. Contextul abordarilor experimentale 5.5. Exercitii propuse 5.6. Probleme de simulare 6. Identificare parametrica prin Metoda Minimizarii Erorii de Predictie 6.1. Breviar al Metodei Celor Mai Mici Patrate Extinse 6.2. Breviar al Metodei Minimizarii Erorii de Predictie 6.3. Contextul abordarilor experimentale 6.4. Exercitii propuse 6.5. Probleme de simulare 7. Algoritmi rapizi CMMP-R si VI-R fara fereastra 7.1. Paradigma precizie-adaptabilitate 7.2. Algoritmi recursivi de baza in IS 7.3. Contextul abordarilor experimentale A. Rutine MATLAB pentru identificare recursiva B. Modele cu parametri variabili in timp 7.4. Exercitii propuse 7.5. Probleme de simulare 8. Algoritmi rapizi CMMP-R si VI-R cu fereastra 8.1. Selectia datelor cu ajutorul ferestrelor culisante 8.2. Utilizarea ferestrei exponentiale 8.3. Utilizarea ferestrei dreptunghiulare 8.4. Contextul abordarilor experimentale 8.5. Exercitii propuse 8.6. Probleme de simulare 9. Identificarea unui uscator de par 9.1. Contextul abordarilor experimentale 9.2. Exercitii propuse 9.3. Probleme de simulare 10. Identificarea unui manipulator cu un brat 10.1. Contextul abordarilor experimentale 10.2. Exercitii propuse 10.3. Probleme de simulare 11. Identificarea unui schimbator de caldura 11.1. Contextul abordarilor experimentale 11.2. Exercitii propuse 11.3. Probleme de simulare 12. Identificarea parametrilor fizici ai unui proces 12.1. Strategii de identificare a parametrilor fizici 12.2. Contextul abordarilor experimentale 12.3. Exercitii propuse 12.4. Probleme de simulare 13. Identificarea componentei deterministe a unei serii de timp 13.1. Modelul general al unei serii de timp 13.2. Identificarea tendintei unei serii de timp 13.3. Identificarea variatiei sezoniere a unei serii de timp A. Metoda Wittacker-Robinson (in timp) B. Metoda periodogramei Fourier-Schuster (in frecventa) 13.4. Asamblarea si extrapolarea componentei deterministe 13.5. Contextul abordarilor experimentale 13.6. Exercitii propuse 13.7. Probleme de simulare 14. Identificarea componentei nedeterministe a unei serii de timp 14.1. Modele auto-regresive de zgomot colorat A. Modelul auto-regresiv pur (AR) B. Modelul auto-regresiv de medie alunecatoare (ARMA) 14.2. Predictia componentei nedeterministe A. Predictia cu modelul AR B. Predictia cu modelul ARMA C. Calitatea predictiei 14.3. Contextul abordarilor experimentale 14.4. Exercitii propuse 14.5. Probleme de simulare 15. Identificarea proceselor nestationare pe diferite benzi de frecventa 15.1. Despre identificarea pe benzi de frecventa 15.2. Contextul abordarilor experimentale 15.3. Exercitii propuse 15.4. Probleme de simulare Anexe A. Expresii matematice ale unor clase de modele de identificare A.1. Modelul general din IS A.2. Clasa ARMAX A.3. Clasa RIO A.4. Clasa RSS (liniara) B. Metode ingineresti de prefiltrare si interpolare a datelor B.1. Netezirea datelor prin intermediul filtrelor numerice B.2. Interpolarea continua a datelor A. Interpolatorul Lagrange B. Interpolatori spline B.3. Interpolarea discreta a datelor C. Lista de verificare a mini-simulatoarelor si rutinelor MATLAB Referinte bibliografice. |
|
| PREZENTARE: Aceasta carte este un ghid de exploatare care permite dobindirea de cunotinte practice si abilitati de lucru in domeniul Identificarii Sistemelor. Sunt propuse mai multe teme de cercetare, intr-o maniera graduala. Provocarea lansata cititorilor este de a proiecta si implementa o serie de algoritmi bazati pe cele mai populare tehnici de identificare experimentala, cum ar fi cele sugerate de Metoda celor mai mici patrate, Metoda variabilelor instrumentake, Metoda minimizarii erorii de predictie sau Metoda Levinson-Durbin. Cutia de instrumente din MATLAB dedicata Identificarii Sistemelor este extrem de utila pentru atingerea acestui obiectiv. De aceea, cititoriipot gasi in aceasta carte si o descriere in extenso a obiectelor si rutinelor MATLAB disponibile, aferente domeniului Identificarii Sistemelor. |
|
| PREFATA: In 2004, a fost publicata o prima varianta a volumului de fata, mai precis [SMS04]. Experienta dobandita in urma impactului acelui volum cu cititorii (studenti, in marea lor majoritate), a condus, dupa 7 ani, la imbunatatirea abordarilor si imbogatirea continutului cu noi teme aplicative. Astfel, s-a nascut aceasta carte. Asa cum sugereaza titlul, cartea constituie un ghid exploratoriu pentru acumularea treptata de cunostinte practice legate de domeniul Identificarii (Experimentale a) Sistemelor. In acest scop, cititorului ii sunt propuse o serie de teme de cercetare, in cadrul carora este invitat sa implementeze cei mai populari algoritmi fundamentali ai domeniului amintit. Cartea este conectata si cu volumul [SCS05], care descrie bazele acestui domeniu (si care, la randul lui, este in curs de imbunatatire). Cititorul poate aborda insa temele de cercetare propuse si in absenta volumului [SCS05]. O caracteristica importanta a acestui volum o constituie modularizarea capitolelor sale pe doua planuri. In primul rind, fiecare capitol abordeaza o anumita tema de cercetare, in general sub forma unei analize comparative intre performantele unor algoritmi de identificare inruditi (din aceeasi clasa). In al doilea rind, temele de cercetare modulare sunt grupate in citeva pachete aflate intr-un anumit raport logic si cronologic, din punctul de vedere al abordarii. Schema din figura urmatoare ilustreaza maniera in care pachetele ar trebui abordate. Mediul de programare recomandat pentru implementarea temelor de cercetare este MATLAB. De altfel, Tema 1 constituie un fel de radacina a grafului de mai sus tocmai pentru ca descrie pe scurt cutia de instrumente dedicata Identificarii Sistemelor (System Identification Toolbox) din cadrul MATLAB, numita ad hoc IDENT. Este de dorit ca, mai intii, cititorul sa se familiarizeze cu aceasta biblioteca de functii, dupa care poate aborda oricare dintre pachetele de teme propuse. Primul pachet este dedicat identificarii intuitive, cvasi-empirice, de modele neparametrice. Cititorul va avea astfel ocazia sa isi dezvolte un anumit fler legat de alegerea modelelor si metodelor de identificare riguroase, pe baza unor analize preliminare cu caracter calitativ. Al doilea pachet propune implementarea si testarea familiei de metode CMMP (a celor mai mici patrate), VI (a variabilelor instrumentale) si MEP (a minimizarii erorii de predictie), in varianta off line, utilizate in identificarea unor modele de tip ARX si OE (des intalnite in aplicatiile de Automatica). In paralel, al treilea pachet surprinde paradigma adaptabilitate-precizie, caracteristica metodelor de identificare recursive, on-line, fara sau cu fereastra glisanta de-a lungul datelor experimentale. Modelele studiate sunt tot de tip ARX si OE, dar cu parametri variabili in timp. Pachetul al patrulea propune cititorului identificarea a 4 procese uzuale: un uscator de par, un manipulator de marfa cu un brat, un schimbator de caldura si un motor de curent continuu. Ultimului i se identifica parametrii fizici, prin intermediul unor modele obtinute in urma discretizarii. Al cincilea pachet este dedicat identificarii de fenomene naturale sau rezultate din activitatea umana. Acestea sunt reprezentate prin serii de timp. Obiectivul final al identificarii il constituie extrapolarea sau predictia seriilor de timp cu ajutorul unor modele deterministe si nedeterministe de tip AR sau ARMA. Tema 15 se refera la identificarea unor procese nestationare, care nu permit decit modelarea in anumite benzi de frecventa. Ea constituie o directie de cercetare optionala, oarecum separata de pachetele mai sus amintite. Temele de cercetare sunt descrise astfel incat cititorul sa fie mai intai familiarizat cu un suport teoretic minimal necesar intelegerii aplicatiilor abordate. O serie de exercitii pregatitoare graduale au rolul de a obisnui cititorul cu terminologia si notatiile specifice contextului de lucru in care se desfasoara aplicatiile. Exercitiile de gindire sau problemele de simulare pe calculator sunt formulate in finalul fiecarui capitol. O colectie de programe ajutatoare, implementate in MATLAB, se gasesc la adresa http://acs.curs.pub.ro, pe platforma de cursuri a Facultatii de Automatica si Calculatoare din Bucuresti. (Ele pot fi insa obtinute si prin contactarea autorilor cartii.) Unele dintre aceste programe au fost concepute la Universitatea din Uppsala (Departamentul de Control Automat) si Institutul Tehnologic Lund (ambele din Suedia), fiind disponibile gratuit si la adresa http://www.syscon.uu.se/Courses/. Ele au fost comentate in limba engleza si usor modificate, pentru a fi mai usor intelese de catre cititori. O succinta explicatie in limba romana este de asemenea furnizata. Cu toate acestea, cititorii sunt invitati sa conceapa propriile lor programe in cursul abordarii aplicatiilor descrise. In cele 3 anexe, sunt prezentate ecuatiile modelelor numerice de identificare frecvent utilizate, o serie de algoritmi care privesc prelucrarea primara a datelor (filtrare numerica si interpolare), precum si lista tuturor mini-simulatoarelor, rutinelor sau fisierelor de date cu care se opereaza in cadrul temelor de cercetare propuse. Cartea de fata se adreseaza in special studentilor de la facultatile tehnice de profil electric. Nivelul de prezentare este unul destul de ridicat, riguros si logic, avind in vedere ca Identificarea Sistemelor este, de fapt, o disciplina de matematica aplicata, bazata pe informatica numerica. Din acest motiv, cartea poate fi interesanta si pentru alte categorii de cititori specializati in domenii inrudite Identificarii Sistemelor. Autorii tin sa adreseze multumiri tuturor absolventilor si studentilor Facultatii de Automatica si Calculatoare din Bucuresti, care, prin observatiile lor juste si pertinente, au contribuit la imbunatatirea volumului din 2004 si au permis publicarea acestui volum. Bucuresti, martie 2012 Dan STEFANOIU, Janetta CULITA, Florin Sebastian TUDOR Universitatea ’’Politehnica’’ din Bucuresti Facultatea de Automatica si Calculatoare |
|
| CUVINTE CHEIE: |