系统辨识前沿讲座1

DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识0讲座内容What:什么是系统辨识Why:为什么用系统辨识Where/who/when:系统辨识的应用领域How:如何进行系统辨识Applications:系统辨识实例Conclusions:结束语What:什么是系统辨识DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识1What：什么是系统辨识系统(system)系统是相互作用相互影响的元素的集合系统的概念及其思想广泛应用于自然科学和社会科学的许多领域1.工业生产系统2.自然系统、环境系统3.人体生命系统4.经济、社会系统等等、等等DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识2What：什么是系统辨识模型(model)研究一个系统，首先要掌握该系统的特性把系统的主要特性进行简化抽象后的表现形式是模型模型的种类1.物理模型（physicalmodel):实际系统的物理模拟2.思考模型(mentalmodel):日常生活中大脑判断、脑神经支配身体动作的模型3.图表模型(graphicalmodel):用图表的方式表示系统各个要素的连接、信号流向的模型4.数学模型(mathematicalmodel):用数学方法定量描述系统特性的模型DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识3What：什么是系统辨识建模(systemmodeling)模型是人工建立的，需要从实际对象中获取建立系统数学模型的过程称为建模系统辨识是从系统输入输出的测量数据建立系统数学模型的方法)(tu)(tv)(ty输入输出系统干扰／噪音DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识4讲座内容What:什么是系统辨识Why:为什么用系统辨识Where/who/when:系统辨识的应用领域How:如何进行系统辨识Applications:系统辨识实例Conclusions:结束语Why:为什么用系统辨识DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识5Why:为什么用系统辨识工程中与系统相关的问题系统分析、设计系统控制、维护、故障检测系统预报、仿真基于系统模型解决系统问题解决系统问题需要掌握系统特性系统模型可以为数学方法提供解决系统问题的平台基于模型的方法容易在计算机环境中实现、修正大大降低成本、缩短周期问题解决的成否很大程度上取决于模型质量DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识6Why:为什么用系统辨识建模的方法及特点(1)解析法(白箱建模):利用已知的物理定律、自然法则等建模优点:模型比较准确可信缺点:模型往往比较复杂，难以适用于大规模系统(需要全部了解各个环节所适用的定律及参数))(tu)(tyDALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识7Why:为什么用系统辨识建模的方法及特点(2)系统辨识(黑箱建模):利用系统的输入输出数据建立系统模型优点:应用范围广，容易实现缺点:用模型之前需检验其有效性及可靠性)(tu)(tyDALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识8Why:为什么用系统辨识建模的方法及特点(3)解析法和系统辨识相结合的建模法(灰箱建模)优点:充分利用已知信息提高建模的可靠性缺点:需要把已知信息和建模过程中的数值计算有机结合方面的经验)(tu)(tyDALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识9Why:为什么用系统辨识实际问题中的建模利用已知信息确定模型的种类:数学表达式的形式、参数范围等利用系统辨识求解模型中未确定的部分利用系统辨识随时监测系统特性的变动利用已知信息和实测数据检验模型的可靠性系统辨识是系统问题中不可缺少的建模工具DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识10讲座内容What:什么是系统辨识Why:为什么用系统辨识Where/who/when:系统辨识的应用领域How:如何进行系统辨识Applications:系统辨识实例Conclusions:结束语Where/who/when:系统辨识的应用领域DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识11Where/who/when:系统辨识的应用领域WhereWhenWho工业过程、测量、信号处理、通信、物理、航天航空、交通运输、地质探测、地震检测预报环境、生物、医疗卫生、生体科学、农业技术、经济、金融外汇、股市系统分析、高性能系统设计、系统控制、预测、仿真工程技术人员、自然科学研究人员、社会科学研究人员、金融经济政策决策人员DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识12讲座内容What:什么是系统辨识Why:为什么用系统辨识Where/who/when:系统辨识的应用领域How:如何进行系统辨识Applications:系统辨识实例Conclusions:结束语How:如何进行系统辨识DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识13How:如何进行系统辨识系统辨识的一般步骤需求分析1.明确系统辨识的目的和性能要求2.系统要素及其对系统特性有影响的环境因素3.各元素间的影响定性定量分析理论解析1.建模对象所适用的自然准则、物理准则2.适合于描述对象特性的模型种类、参数范围收集测量数据1.辨识实验设计:选择输入信号、采样频率、测量装置的安装2.实验数据收集、预处理模型参数估计模型的可靠性检验DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识14How:如何进行系统辨识古典辨识方法随着1940年代开始的古典控制发展起来以非参数模型的建模为主古典辨识方法的分类1.频率响应法(Frequencyresponse)2.瞬态响应法(Transientresponse)①阶跃响应法(Stepresponse)②脉冲响应法(Impulseresponse)3.相关分析法(Correlationanalysis)4.谱分析法(Spectrumanalysis)DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识15How:如何进行系统辨识现代辨识方法始于1960年代参数模型的建模通过对衡量模型和测量数据之间吻合程度的评价函数的最优化求模型参数需要有效的最优化算法DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识16How:如何进行系统辨识现代辨识方法的分类最小2乘类(Leastsquares)1.最小2乘，广义最小2乘，扩展最小2乘2.辅助变量法极大似然法(Maximumlikelihood)预报误差法(Predictionerror)在线递推辨识算法(Recursivealgorithm)1.递推最小2乘法2.递推辅助变量法3.递推预报误差法子空间法:多变量系统的辨识(Subspacemethod)模糊辨识(Fuzzyidentification)DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识17How:如何进行系统辨识面向问题的系统辨识(1)自适应系统、实时系统的在线辨识算法1.递推最小2乘法2.递推辅助变量法3.递推预报误差法4.实时故障诊断、定位频域系统辨识1.用时域信号建立频率响应模型2.频域优化算法时间序列分析1.金融、经济、外汇股市等数据分析2.水文、地质、环境等数据分析3.生体信号处理、内部机理分析DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识18How:如何进行系统辨识面向问题的系统辨识(2)闭环控制设计中的闭环系统辨识1.用控制对象的输入输出信号直接辨识法2.使用外部辨识信号的间接辨识法3.闭环辨识和控制器设计的在线融合非线性系统辨识1.Hammerstein、Wiener模型建模2.用神经网络、遗传算法等建模3.局部模型建模法DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识19How:如何进行系统辨识面向问题的系统辨识(3)面向鲁棒系统设计的鲁棒系统辨识1.模型中不确定性、未建模成分的评价2.模型集合的辨识连续时间系统辨识时变系统的辨识盲辨识:系统输入信息残缺或不可测1.通信系统建模2.信号测量系统建模DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识20How:如何进行系统辨识系统辨识的学习数学基础系统理论数值计算应用微积分线性代数积分变换线性系统理论随机过程・・・系统辨识计算方法程序开发、仿真技术信号处理控制系统设计系统分析、预报・・・最优化技术DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识21How:如何进行系统辨识参考书(原版影印本)DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识22How:如何进行系统辨识参考书DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识23How:如何进行系统辨识计算机软件Matlab/Simulink1.美国TheMathWorks公司出品2.SystemIdentificationToolbox3.FrequencyDomainIdentificationToolbox4.CONSIDToolbox5.其他关联工具箱：SignalProcessing,ControlSystem,Optimization,NeuralNetwork,etc.其他软件Mathematica、Maple、C、Excel･･･DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识24讲座内容What:什么是系统辨识Why:为什么用系统辨识Where/who/when:系统辨识的应用领域How:如何进行系统辨识Applications:系统辨识实例Conclusions:结束语Applications:系统辨识实例DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识25Applications:系统辨识实例闭环辨识(Closed-LoopIdentification)闭环系统(Closed-LoopSystem)1.C(z)：控制器;F(z)：传感测量装置;G(z)：控制对象2.r(k)：设定值；u(k)：控制输入；y(k):输出；e(k)：干扰或噪音闭环系统构成框图辨识对象w(k)L(z)F(z)C(z)G(z)H(z)d(k)r(k)v(k)u(k)y(k)e(k)+-++DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识26Applications:系统辨识实例闭环辨识闭环辨识的难点1:信息损失1.对象模型:y(k)+ay(k-1)=bu(k-1)+w(k)2.控制输入：u(k)＝fv(k)=-fy(k)闭环系统例fbz-11+az-111+az-1r(k)=常数0v(k)u(k)w(k)y(k)e(k)+-++y(k)+(a+f)y(k-1)=(b-1)u(k-1)+w(k)DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识27Applications:系统辨识实例闭环辨识闭环辨识的难点2:输入和噪音相关辨识对象w(k)L(z)F(z)C(z)G(z)H(z)d(k)r(k)v(k)u(k)y(k)e(k)++辨识对象w(k)L(z)G(z)H(z)d(k)u(k)y(k)e(k)++DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识28Applications:系统辨识实例闭环辨识闭环辨识的难点3:数值计算问题反馈环节增大了输入和输出的依存性，使得关于输入输出测量数据矩阵的有关计算对噪音干扰十分敏感----------)()()()()()()()()()()()(bababanNkuNkunNkyNkynkukunkykynkukunkyky111111DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识29Applications:系统辨识实例闭环辨识闭环辨识的难点3:数值计算问题依存性小的情况依存性大的情况DALIANUNIVERSITY技术讲座系统辨识30Applications:系统辨识实例闭环辨识传统闭环辨识方法1.加外部测试信号①消除输入输出信号间的相关，提高建模可靠性②测试信号会引起运行波动，因此很