23028

Задачі ідентифікації динаміки систем з розподіленими параметрами

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

Псевдоінверсні методи [2227] обернення алгебраїчних інтегральних та функціональних перетворень дозволяють виконати таку заміну побудувати моделюючі функції в неперервному або дискретному вигляді тільки при відомій функції матриці Гріна в необмеженій просторовочасовій області. Викладена ж в лекції 2 методика побудови функції дозволяє виконати це для систем динаміка яких описана вже диференціальним рівнянням вигляду 1.7 зведеться до знаходження перетворюючої функції функції Гріна в нашому розумінні такої що 15.4 побудови...

Русский

2013-08-04

276.5 KB

2 чел.

6

 Стоян В.А.  

Лекція 15. Задачі ідентифікації динаміки систем з розподіленими

                   параметрами

15.1. Загальна постановка задачі. Розглядувані вище підходи до дослідження динаміки систем з розподіленими параметрами ґрунтувалися на заміні її диференціальної моделі (1.1)(1.4) інтегральною моделлю вигляду (1.9), (1.11)(1.13). Псевдоінверсні методи [22,27] обернення алгебраїчних, інтегральних та функціональних перетворень дозволяють виконати таку заміну (побудувати моделюючі функції в неперервному або дискретному вигляді) тільки при відомій функції (матриці) Гріна  в необмеженій просторово-часовій області. Викладена ж в лекції 2 методика побудови функції  дозволяє виконати це для систем, динаміка яких описана вже диференціальним рівнянням вигляду (1.1).

Для більшості досліджуваних практиками процесів давно побудовані диференціальні моделі і проблем використання наведених нами підходів до моделювання їх динаміки в прямій та оберненій постановці не існує. Технічні ж процеси, які мають місце при науковому вивченні та практичній реалізації сучасних інформаційних технологій, досить часто виходять за межі моделей вигляду (1.1). Нерідкі випадки, коли досліджуваний процес настільки складний і не вивчений, що побудувати диференціальні залежності для нього або принципово неможливо, або вони будуть настільки далекими від реальності, що користуватися ними буде недоцільно. Тут і потрібні не фізико-технологічні підходи до опису динаміки процесу, які ґрунтуються на математичному представленні недостатньо вивчених, або недоступних для формалізації реальних процесів, а принципово нові методики, основані на спостереженнях за станом системи та зовнішньо-динамічними умовами, в яких ця система функціонує. Другими словами: потрібен математичний апарат, який би міг надійно і з бажаним (або наперед відомим) ступенем точності пов’язати спостережуваний стан системи зі спостереженнями за тими фізико-технологічними факторами, які його спричиняють.

Якщо, залишаючись в рамках прийнятих нами термінологій, позначити через  вектор-функцію стану системи в просторово-часовій області , а через вектор-функцію зовнішньо-динамічних впливів на цю систему, то проблема побудови такої бажаної інтегральної моделі вигляду (1.7) зведеться до знаходження перетворюючої функції (функції Гріна в нашому розумінні) такої, що

   (15.1)

де

,           (15.2)

та  – області, в яких виконується спостереження за станом  системи та вектора  зовнішньо-динамічних впливів на неї відповідно.

На підтвердження сказаного в лекції 1 ще раз зауважимо, що в загальному випадку розв’язати задачу побудови множини  неможливо. Тому, як і при побудові та дослідженні моделей вигляду (1.9), (1.11)-(1.13), зупинимося на трьох частинних випадках поставленої задачі.

15.2 Проблеми ідентифікації дискретизованих інтегральних моделей динаміки систем з розподіленими параметрами. Як і при розв’язанні (лекція 3) сформульованої в лекції 1 загальної задачі побудови інтегральної моделі вигляду (1.9), (1.11)-(1.13) зупинимося для початку на випадку, коли вектор-функція стану () та вектор-функція () зовнішньо-динамічних впливів на систему спостерігаються в скінчених множинах точок  та  відповідно.

В цьому випадку шукана перетворююча матрична функція  вироджується в матрицю  блоки-елементи  якої знаходяться з умови, щоб

                                        (15.3)

де - крок дискретизації області . Позначивши через  номер спостереження за системою та вводячи до розгляду вектори

де  для  задачу (15.3) знаходження елементів матриці G замінимо наступною:

                                                            (15.4)

Задача (15.4) побудови матриці G значень перетворюючої матричної функції  значно простіша задачі (15.1), (15.2) побудови множини  матричних функцій . Вона може бути розв’язана з використанням методів лінійної алгебри, покладених в основу побудови (лекція 3) дискретизованого варіанту інтегральної моделі динаміки розглядуваних систем. Дійсно, як неважко бачити, ідентифікаційна задача (15.4) еквівалентна задачі обернення матричної системи

GU=Y,                                                                                           (15.5)

де

згідно критерію

                                                                    (15.6)

дослідженої детально в [].

15.3 Проблеми ідентифікації систем з дискретно спостережуваною функцією стану. Другим частинним випадком ідентифікації задачі (15.1), (15.2) є випадок, коли на відміну від розглядуваного вище, дискретні по  вимірювання значень  вектор-функції стану  виконуються при неперервно спостережуваній вектор-функції  зовнішньо-динамічних збурень системи.

Проблема знаходження вектора  значень  матричної функції , які відповідають спостережуваним в  значенням  вектор-функції  зведеться до обернення системи інтегральних рівнянь:

                                                                     (15.7)

де .

Позначивши через N кількість спостережень за системою, а через  номер такого спостереження, від системи (15.7) перейдемо до наступної:

                                   (15.8)

де матриця Y співпадає з визначеною вище, а

(тут u(n)() n-е вимірювання вектор-функції  зовнішньо-динамічних збурень).

Нижче ми побудуємо та дослідимо множину

            (15.9)

псевдорозвязків ідентифікаційних співвідношень (15.8) узагальнюючи методику розв’язання дискретизованого варіанту задачі, аналогічно тому як в лекції 4 узагальнювалися результати розв’язання задач сформульованих в лекції 3.

15.4 Проблеми ідентифікації систем з дискретно спостережуваною функцією зовнішньо-динамічних впливів. Аналогічно сформульованому вище заслуговує на увагу ще один частинний випадок ідентифікаційної задачі (15.1),(15.2) – випадок, коли вектор-функція  стану системи може бути спостережуваною неперервно по s, а вектор-функція  зовнішньо-динамічних впливів доступна для вимірювань тільки в M точках .

Проблеми знаходження вектора  значень  матричної функції , які спостережувані в точках , зовнішньо-динамічні впливи um=u(sm) перетворює в спостережувану в  вектор-функцію , зведеться до обернення системи функціональних рівнянь

                                        (15.10)

де .

Вимагаючи виконання співвідношення (15.9) при кожному n-му () спостереженні заключаємо, що шукана матрична вектор-функція  задовольнятиме рівнянню

                                        (15.11)

де матриця U співпадає з визначеною вище, а

(тут)n-е вимірювання вектор-функції  стану системи).

Далі, з використанням методики поширення результатів розв’язання дискретного варіанту (лекція 3) задачі моделювання динаміки систем з розподіленими параметрами на дискретно керовані (лекція 5) системирезультати розв’язання дискретизованого варіанту (15.5) ідентифікаційної задачі (15.1),(15.2) будуть поширені і на розглядуваний тут випадок.

Буде побудована та досліджена множина

       (15.12)

псевдорозв'язків ідентифікаційних співвідношень (15.11).

15.5 Ідентифікаційно-псевдоінверсний підхід для побудови матричної функції Гріна динаміки систем з розподіленими параметрами. Розглянуті вище задачі побудови матричних вектор-функцій  та , якщо вони будуть розв’язані, дозволяють досить близько підійти до вирішення проблеми побудови інтегральної моделі (1.7) динаміки систем з розподіленими параметрами. Це можна зробити для систем неперервно спостережуваних як по вхідному зовнішньо динамічному збуренню , так і по вихідному вектору  стану системи.

Дійсно, виконуючи спостереження:

  1.  за вектор-функцією  в точках  при заданій вектор-функції  зовнішньо-динамічних збурень;

б) за вектор-функцією  при вимірюваній в точках  вектор-функції зовнішньо-динамічних збурень можна ставити та розв’язувати задачі (15.8)-(15.9) та (15.11)-(15.12) по побудові матричних вектор-функцій   та   відповідно.

Неважко бачити однак, що знайдені таким чином матричні вектор-функції  та  є перерізами двохаргументної матричної функції , яка у співвідношенні (1.7) виконує роль матричної функції Гріна динаміки розглядуваної системи в обмеженні просторово-часовій області. Методи ж обчислювальної математики та комп’ютерної графіки дозволяють при необхідності від перерізів  та  перейти до аналітичного та графічного представлення шуканої функції , а отже і виконати (точно чи з певною точністю, однозначно чи неоднозначно) побудову інтегральної моделі динаміки розглядуваної системи у вигляді (1.7).

15.6. Про загальність псевдоінвертного підходу до ідентифікації систем з розподіленими параметрами. Сформульовані в пунктах 15.3 та 15.4 задачі (15.8)-(15.9) та (15.11)-(15.12) по знаходженню матричних вектор-функцій  та  є допоміжними для розв’язання задачі побудови перерізів двохаргументної матричної функції Гріна  при ідентифікації інтегральної моделі динаміки систем з розподіленими параметрами.

Неважко бачити, що методика розв’язання цих задач (якщо вона буде розвинута), а також задачі (15.5), (15.6) напряму може бути використана при ідентифікації трьох досить широких класів перетворювачів, а саме:

  1.  дискретного матричного перетворювача вигляду

,                   (15.13)

де  та  векторні вхід та вихід системи, а  - шукана матриця, якою виконюється перетворення входу x у вихід y;

2) інтегрального перетворювача вигляду

,                  (15.14)

де ,  для , розподілений в S вхід та дискретний вихід системи, а  шукана матрична функція, якою вхід  перетворюється у вихід y;

3) функціонального перетворювача вигляду

(),                  (15.15)

де ,  та  для  дискретний та розподілений в S вхід та вихід системи, а шукана матрична функція, якою вхід x перетворюється у вихід .

Розглядувані нижче підходи до розв’язання задач (15.5)-(15.6), (15.8)-(15.9) та (15.11)-(15.12) дозволяють розв’язати задачі ідентифікації матриці А та матричних функцій, – перетворювачів вигляду (15.13)-(15.15) згідно критеріїв:

,                  (15.16)

,                  (15.17)

,                  (15.18)

де N – кількість спостережень за відповідним перетворювачем, а n – номер такого спостереження.

Враховуючи сказане, а також те, що задачі (15.13)-(15.18), в силу своєї абстрактності простіші для сприйняття, ніж сформульовані вижче задачі (15.5)-(15.6), (15.8)-(15.9) та (15.11)-(15.12), при побудові ідентифікаційних методів дослідження динаміки розглядуваних систем будемо виходити з останніх.

Для випадків, коли точність, з якою знайдені згідно (15.16)-(15.18) матриця А та матричні функції, , задовольняють перетворенням (15.13)-(15.15), недостатня - розглянемо варіанти нелінійного (поліноміального) перетворення вхідного сигналу у вихідний. Другими словами: крім матриці  А та матричних функцій, ,  побудуємо ще і поліноміальне перетворення  , , де , , таке, щоб

,

,

,

де

,

.

Зауважимо, що всі ці задачі стосовно алгебраїчного перетворення вигляду (15.5) розв’язані в [ ]. Запропонована там методика розв’язання сформульованих вище задач і буде викладена нами нижче.

5

Курс лекцій по моделюванню динаміки систем з розподіленими параметрами


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30472. Порядок выборов Президента и Конгресса США 14.83 KB
  Высшим органом законодательной власти является Конгресс США состоящий из двух палат: Палаты представителей и Сената. Палата представителей представляет интересы народа в целом. Выборы в Палату представителей проходит в первый вторник после первого понедельника ноября каждого четного года. Члены Палаты представителей избираются по мажоритарной системе относительного большинства без требования кворума.
30473. Система сдержек и противовесов в форме правления США 15.06 KB
  Влиятельная фигура в ранней Америке Джон Адамс говорил что целью конституционного правительства является создание правительства законов а не правительства людей. Для Адамса великой идеей к наделению широкими полномочиями правительства и в то же время подчинению его букве закона стал принцип разделения правительственных полномочий. Эта концепция разделения властей исторически ассоциируемая со школой французского философа Монтескье предотвратила злоупотребление властью путем отказа от концентрации власти в одной ветви или одном...
30474. Особенности конституционного права Соединенного королевства 16.64 KB
  Британский конституционализм представляет собой весьма своеобразное явление правовой действительности. Древние и крепкие корни парламентаризма англосаксонская правовая система монархическая форма правления все это делает фактическую и юридическую конституцию Великобритании уникальной. Эта страна по сей день не имеет в качестве основного закона единого писаного нормативного правового акта. Возводимое в течение многих столетий здание британского конституционализма имеет в качестве прочного и надежного фундамента общее право...
30475. Британский парламент, его взаимоотношения с Королевой и Правительством 16.23 KB
  Законодательная власть в Великобритании принадлежит парламенту но по точному смыслу британской конституции парламент триединое учреждение: оно включает главу государства монарха палату лордов исторически палату знати и высшего духовенства и палату общин исторически палату простолюдинов. Это понятие связано с тем что закон становится таковым если он принят двумя палатами есть некоторые исключения из этого правила в пользу нижней палаты и подписан монархом. Теоретически монарх в Великобритании считается...
30476. Реформа политико-территориального устройства Соединенного Королевства 14.64 KB
  Поэтому для других трех регионов в большей или меньшей степени всегда были свойственны стремление к усилению самоуправления или даже сепаратизм. право первичного законодательства в сферах здравоохранения образования местного самоуправления и политикоадминистративного деления жилищного и коммунального хозяйства окружающей среды и т. В каждой Местной единице действуют органы местного самоуправления: выборные непосредственно населением советы и исполнительные органы. Компетенция органов местного самоуправления традиционна однако...
30477. Особенности французского конституционного права 17.34 KB
  В конституции отсутствует обычная для современных актов глава о правах и свободах. и к преамбуле конституции 1946 г. Конституционный совет в своих решениях указывал на Декларацию и преамбулу конституции 1946 г. как на составные части действующей конституции и включил их в тот блок законов соответствие которому он проверяет.
30478. Форма правления и государственный режим во Франции 15.08 KB
  Принцип республики: Правление народа по воле народа и для народа ст. Указанный характер республики определяется: глава государства президент избирается помимо парламента а премьерминистр назначается президентом без согласия высшего представительного органа признаки президентской республики; в то же время правительство несет ответственность перед нижней палатой парламента парламентская форма правления. Элементами президентской республики во Франции являются непарламентский способ избрания президента наличие у него...
30479. Трехмерные и динамические метафоры в визуализации программного обеспечения параллельных и распределенных вычислений 42 KB
  Существенным недостатком современных систем отладки параллельных и распределенных вычислений является отсутствие отображения динамики программных процессов. Причем каких-либо вариантов представления последовательности кода
30480. GESTURE-BASED INTERFACE: TECHNOLOGY AND APPLICATION 35.5 KB
  Recently gesture-based interfaces are becoming more widely used. There are many advantages of gesture-based interfaces such as small learning time, wide availability (if they done properly), and, in some cases, the lack of manipulators, which is important for mobile devices