Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống - Chương 1 Giới thiệu

Môn học
MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
Giảng viên: TS. Huỳnh Thái Hoàng
Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện Điện Tử , – 
Đại học Bách Khoa TP.HCM
Email: hthoang@hcmut.edu.vn, 
hthoang hcmut@yahoo com. .
Homepage: 
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 1
Mục tiêu: Môn học trang bị cho học viên kiến thức để giải quyết bài
Giới thiệu môn học
toán xây dựng mô hình toán học của hệ thống động bằng 
phương pháp mô hình hóa và nhận dạng hệ thống. 
Số tiết: 30 LT + 15 TL 
 Chương 1: Giới thiệu 
Ch 2 Mô hì h hó ương : n a
 Chương 3: Nhận dạng mô hình không tham số
 Chương 4: Cấu trúc mô hình có tham số
 Chương 5: Các thuật toán ước lượng tham số
 Chương 6: Đánh giá mô hình
 Chương 7: Thực hiện nhận dạng hệ thống 
 Chương 8: Nhận dạng hệ thống kín
Tiểu luận: Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng mô hình hóa và nhận 
dạng hệ thống
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 2
 Bài tập: 40%
Đánh giá môn học
 Tiểu luận: 20%
 Thi cuối khóa: 40% 
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 3
[1] L Lj S t Id tifi ti Th f th 2nd
Tài liệu tham khảo 
 . ung , ys em en ca on – eory or e users, 
Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1999.
[2] R. Johansson, System Modeling and Identification, 
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993. 
[3] D. L. Smith, Introduction to Dynamic Systems Modeling for 
Design Prentice Hall Englewood Cliffs New Jersey 1994, - , , , .
[4] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng Mô hình hóa và nhận dạng 
hệ thống, 
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 4
Chương 1
GIỚI THIỆU 
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 5
 Hệ thố độ à ô hì h
Nội dung chương 1 
 ng ng v m n 
 Mô hình hóa
Nhậ d hệ thố n ạng ng
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 6
ốHệ th ng động và mô hình
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 7
Hệ thống
Hệ hố là đối đó á biế át ng tượng trong c c n tương t c
với nhau tạo ra tín hiệu quan sát được (Ljung, 1999)
w(t)
v(t)
Hệ thống
u(t)
y(t)
u: tín hiệu vào
tí hiệy: n u ra
w: nhiễu đo được
ễ
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 8
v: nhi u không đo được
Hệ thống động
Hệ thống động (Dynamic System) là hệ thống trong
đó tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào
ở hiệ t i à ò h th ộ à tí hiệ à tín ạ m c n p ụ u c v o n u ra v n
hiệu vào trong quá khứ.
Quan hệ vào ra của hệ thống động có thể mô tả
bằng phương trình vi phân (hệ liên tục) hoặc
phương trình sai phân (hệ rời rạc).
Đối tượng khảo sát của môn học này là hệ thống
động.
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 9
Mô hình
Mô hì h ( d l) ủ ộ hệ hố là hệ iả n mo e c a m t t ng quan g 
thiết (assumed relationship) giữa các tín hiệu quan 
sát được của hệ thống đó .
 Mô hình toán học là (các) biểu thức toán học mô tả 
quan hệ vào ra của hệ thống 
MH trong miền thời gian – MH trong miền tần số
MH liên tục MH rời rạc – 
MH tuyến tính – MH phi tuyến
MH tham số MH khơng tham số – ,…
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 10
Cách xây dựng mô hình toán học
Mô hì h á h â d bằ á hn to n ọc x y ựng ng c c :
 Mô hình hóa (System Modeling)
 Mô hình hộp trắng (white-box model)
 Nhận dạng hệ thống (System Identification)
 Mô hình hộp đen (black-box model)
 Kết hợp mô hình hóa và nhận dạng hệ thống
 Mô hình hộp xám (gray-box model)
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 11
Ứng dụng của mô hình
Thiế kế hệ hố t t ng
 Mô phỏng
 Dự báo
 Đo lường
 Phát hiện, chuẩn đoán lỗi
 Tối ưu hóa
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 12
Mô hình hóa
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 13
Mô hình hóa
Mô hì h hó là h há â d ô hì h t á n a p ương p p x y ựng m n o n 
của hệ thống bằng cách dựa vào các qui luật vật lý chi 
phối hoạt động của hệ thống 
 Ba bước mô hình hóa:
Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các 
khối chức năng, trong đó mô hình toán của các khối 
chức năng đã biết hoặc có thể rút ra được dựa vào 
á i l ật ật lýc c qu u v .
Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối 
chức năng dựa vào các qui luật vật lý .
Phân tích toán học: các khối chức năng được kết 
nối toán học để được mô hình của hệ thống.
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 14
Mô hình hóa
Ph há ô hì h hó hỉ ó hể á d khi ương p p m n a c c t p ụng 
ta đã biết rõ cấu trúc của hệ thống và các qui luật 
vật lý chi phối hoạt động của hệ thống . 
 Các định luật vật lý:
Điện
Cơ học
Nhiệt
Lưu chất lỏng
ấLưu ch t khí
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 15
Thí dụ mô hình hóa
ế ả ố ề Động cơ DC liên k t với t i qua khớp n i m m
 Sơ đồ khối 
Motor Coupling Load
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 16
Thí dụ mô hình hóa
 Thí dụ mô hình hóa 
 Các phương trình vi phân rút ra từ các định luật vật lý
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 17
ốNhận dạng hệ th ng
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 18
Nhận dạng hệ thống
 Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình 
toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được.
( )
H ä h á
u(t) y(t)
 t
e t ong
(k) y(k)u
 (k,)
Moâ hình
ŷ(k,)
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 19
Các bước nhận dạng hệ thống
Bố b ớ hậ d hệ hố n ư c n n ạng t ng:
Thí nghiệm thu thập số liệu
ấChọn c u trúc mô hình
Ước lượng thông số
Đánh giá mô hình
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 20
Vòng lặp nhận dạng hệ thống
Thí nghieäm thu 
thaäp döõ lieäu
a
ù
c
q
u
i
g
ö
õ
,
…
Xöû lyù sô
h
e
ä
t
h
o
á
n
g
:
c
e
å
u
n
g
o
â
n
n
g
boä döõ lieäu
Choïn caáu truùc 
t
t
r
ö
ô
ù
c
v
e
à
h
c
a
ù
c
p
h
a
ù
t
b
i
e
moâ hình
Choïn tieâu chuaån 
öôùc löông
o
â
n
g
t
i
n
b
i
e
á
t
u
a
ä
t
v
a
ä
t
l
y
ù
,
c ï
Öôùc löôïng thoâng soá
T
h
o
â
l
u
Khoâng toát  laëp laïi
Khoâng toát  xeùt laïi
Ñaùnh giaù 
moâ hình
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 21
Toát  chaáp nhaän moâ hìnhthoâng tin bieát tröôùc
Lý th ết tí hiệ (tí hiệ hiễ ă l ô
Kiến thức liên quan đến nhận dạng hệ thống
 uy n u n u, n u, n ng ượng, c ng 
suất,…)
 Xác xuất thống kê (xác xuất kỳ vọng phương sai ) , , ,…
 Đại số tuyến tính (các phép tính trên ma trận)
 Phương pháp tính (tối ưu hóa dùng phương pháp số) 
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 22
Thí dụ nhận dạng hệ thống
Nhậ d hệ thố ởi dù n ạng ng sư ng 
năng lượng mặt trời
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 23
Thí dụ nhận dạng hệ thống
31 August 2012 © H. T. Hoàng - ÐHBK TPHCM 24