Кіріспе
Өлшенген деректер негізінде динамикалық жүйелердің математикалық модельдерін құруға арналған статистикалық әдістер. Жүйелерді тану саласы жүйелердің динамикалық қасиеттерінің өлшенген деректерінен математикалық модельдер құру үшін статистикалық әдістерді пайдаланады. Жүйелерді тануға мұндай модельдерге сәйкес келетін ақпараттық деректерді тиімді алу үшін эксперименттерді оңтайлы жобалау, сондай-ақ модельдерді ықшамдау да кіреді. Көбінесе жүйенің қызмет етуін және сыртқы ықпалдарды (жүйеге берілетін сигналдарды) өлшеуден бастап, жүйе ішінде қандай процестер жүріп жатқанына көп тоқталмай, олардың арасындағы математикалық байланысты анықтауға тырысады; бұл тәсіл "қара жәшік" жүйелерді тану деп аталады.
The field of system identification uses statistical methods to build mathematical models of dynamical systems from measured data. System identification also includes the optimal design of experiments for efficiently generating informative data for fitting such models as well as model reduction. A common approach is to start from measurements of the behavior of the system and the external influences (inputs to the system) and try to determine a mathematical relation between them without going into many details of what is actually happening inside the system; this approach is called black box system identification.
Кірісті-шығысты тек шығыспен салыстыру
Жүйе анықтау әдістері кіріс және шығыс деректерін пайдалана алады (мысалы, өзіндік жүйе іске асыру алгоритмі) немесе тек шығыс деректерін ғана қолдана алады (мысалы, жиілік доменінің жіктелуі). Әдетте кіріс-шығыс әдісі көбірек дәлдік береді, бірақ кіріс деректері әрқашан қол жетімді болмайды.
Эксперименттердің оңтайлы дизайны
Жүйе анықтауының сапасы жүйе инженерінің бақылауындағы кіріс деректерінің сапасына байланысты. Сондықтан жүйе инженерлері эксперименттерді жобалау принциптерін ұзақ жылдар бойы пайдаланып келген. Соңғы онжылдықтарда инженерлер ең жоғары дәлдіктегі бағалауларды алуға мүмкіндік беретін кіріс деректерін анықтау үшін оңтайлы эксперименттік жобалау теориясын жиі қолдануда.
Ақ және қара қораптар
Бірінші принциптерге негізделген ақ қорап модельді құруға болады, мысалы, Ньютон теңдеулерінен физикалық процестің моделі, бірақ көп жағдайларда мұндай модельдер тым күрделі болып, жүйелер мен процестердің күрделі табиғатына байланысты, ақылға қонымды уақытта алу мүмкін болмайды. Сондықтан жүйедегі мінез-құлқының өлшемдерінен және сыртқы ықпалдардан (жүйеге кіретін деректер) бастап, жүйе ішінде нақты не болып жатқанын егжей-тегжейлі білмей, олардың арасындағы математикалық байланысты анықтауға тырысу көбірек таралған. Бұл әдіс жүйелік идентификация деп аталады. Жүйелік идентификация саласында екі типті модель жиі қолданылады: сұр қорап модельі: жүйе ішінде болып жатқан процестердің ерекшеліктері толыққанды белгілі болмаса да, жүйе туралы түсінік пен тәжірибелік деректерге негізделген белгілі бір модель құрастырылады. Дегенмен, бұл модельде әлі де белгілі емес еркін параметрлер болады, оларды жүйелік идентификация арқылы бағалауға болады. Мысал ретінде, микробтық өсімге арналған Монод қанығу моделін келтіруге болады. Модельде субстраттың концентрациясы мен өсу жылдамдығы арасындағы қарапайым гиперболалық байланыс бар, бірақ бұл молекулалардың субстратқа байланысуымен түсіндірілуі мүмкін, молекулалардың типтері мен байланыс түрлері туралы егжей-тегжейлі мәліметтерді келтірмей. Сұр қорап модельдеуі жартылай физикалық модельдеу деп те аталады. қара қорап модельі: Алдын ала модель жоқ. Жүйелік идентификация алгоритмдерінің көпшілігі осы типті болып табылады. Сызықтық емес жүйелерді идентификациялау контекстінде Jin et al. модель құрылымын априори қабылдап, содан кейін модель параметрлерін бағалау арқылы сұр қорап модельдеуді сипаттайды. Модель түрі белгілі болса, параметрлерді бағалау салыстырмалы түрде оңай, бірақ мұндай жағдай сирек кездеседі. Балама ретінде, сызықтық және өте күрделі сызықтық емес модельдер үшін құрылымды немесе модель терминдерін NARMAX әдістерін қолдану арқылы анықтауға болады. Бұл тәсіл толық икемді және белгілі терминдермен немесе толыққанды қара қорап модельдерімен қолданылуы мүмкін, онда модель терминдері идентификация процедурасының бөлігі ретінде таңдалады. Бұл тәсілдің тағы бір артықшылығы - алгоритмдер зерттеліп отырған жүйе сызықтық болса сызықтық терминдерді, ал жүйе сызықтық емес болса сызықтық емес терминдерді таңдайды, бұл идентификацияда үлкен икемділікке мүмкіндік береді.
grey box model: although the peculiarities of what is going on inside the system are not entirely known, a certain model based on both insight into the system and experimental data is constructed. This model does however still have a number of unknown free parameters which can be estimated using system identification. One example uses the Monod saturation model for microbial growth. The model contains a simple hyperbolic relationship between substrate concentration and growth rate, but this can be justified by molecules binding to a substrate without going into detail on the types of molecules or types of binding. Grey box modeling is also known as semi physical modeling. black box model: No prior model is available. Most system identification algorithms are of this type. In the context of nonlinear system identification Jin et al. describe grey box modeling by assuming a model structure a priori and then estimating the model parameters. Parameter estimation is relatively easy if the model form is known but this is rarely the case. Alternatively, the structure or model terms for both linear and highly complex nonlinear models can be identified using NARMAX methods. This approach is completely flexible and can be used with grey box models where the algorithms are primed with the known terms, or with completely black box models where the model terms are selected as part of the identification procedure. Another advantage of this approach is that the algorithms will just select linear terms if the system under study is linear, and nonlinear terms if the system is nonlinear, which allows a great deal of flexibility in the identification.
Алға қарай үлгі
Жасанды интеллект саласындағы қалыпты түсінік бойынша, басқарушы роботтың келесі қимылын анықтауы тиіс. Мысалы, робот лабиринттен басталады, содан кейін алға жылжуды шешеді. Модельдік болжау басқаруы келесі әрекетті тікелей емес жолмен анықтайды. "Модель" термині нақты қимыл жасамай, жағдайды симуляциялайтын алдын ала модельге сілтеме жасайды. Алдын ала модель – ойын бағдарламалауда қолданылатын физикалық қозғалтқышқа тең. Модель кіріс мәліметтерін қабылдап, жүйенің болашақ күйін есептейді. Арнайы алдын ала модельдерді құру себебі – жалпы басқару процесін бөлуге мүмкіндік беру. Бірінші сұрақ – жүйенің болашақ күйін қалай болжау керек. Яғни, әртүрлі кіріс мәндері үшін белгілі бір уақыт аралығында жүйені симуляциялау. Екінші міндет – жүйені мақсатты күйге жеткізетін кіріс мәндерінің тізбегін табу. Бұл болжамдық басқару деп аталады. Алдын ала модель – MPC басқарушысының ең маңызды бөлігі. Ол шешімді іске асыру алдында жасалуы керек. Егер жүйенің қалай әрекет ететіні белгісіз болса, мағыналы қимылдарды табу мүмкін емес. Алдын ала модельді құру процесі жүйелік идентификация деп аталады. Оның мәні – нақты жүйе сияқты әрекет ететін теңдеулер жиынтығын жасау. Нақты жүйе мен алдын ала модель арасындағы айырмашылықты өлшеуге болады. Алдын ала модельді құру үшін көптеген әдістер бар: қарапайым дифференциалдық теңдеулер – физикалық қозғалтқыштарда, мысалы Box2d-де қолданылатын классикалық әдіс. Жақында қолданылатын әдіс – алдын ала модельді құру үшін нейрондық желіні пайдалану.