Stefan Ratschan. Fakulta informačních technologíı. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 / 16

Podobné dokumenty
Formální Metody a Specifikace (LS 2011) Formální metody pro kyber-fyzikální systémy

Stefan Ratschan. Fakulta informačních technologíı. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 / 19

Unbounded Model Checking

Vyhněte se katastrofám pomocí výpočetní matematiky

Temporální Logiky. Stefan Ratschan. Fakulta informačních technologíı. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 / 19

Stefan Ratschan. Fakulta informačních technologíı. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Informatika pro záchranu života

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

ekologie Pavel Fibich rovnice rovnice Pavel Fibich Shrnutí Literatura

Modelování a simulace Lukáš Otte

Modelov an ı biologick ych syst em u Radek Pel anek

U Úvod do modelování a simulace systémů

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Matematické modely a způsoby jejich řešení. Kateřina Růžičková

Bonn, Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität

Úvod do modelování a simulace. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Objektově orientovaná implementace škálovatelných algoritmů pro řešení kontaktních úloh

ELT1 - Přednáška č. 6

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Biologicky inspirované výpočty. Schématické rozdělení problematiky a výuky

10. Techniky formální verifikace a validace

D - Přehled předmětů studijního plánu

Úvod do zpracování signálů

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

VY_32_INOVACE_G 19 01

naopak více variant odpovědí, bude otázka hodnocena jako nesprávně zodpovězená.

Matematický ústav UK Matematicko-fyzikální fakulta

Model Checking pro Timed Automata. Jiří Vyskočil 2011

Operátory obecně (viz QMCA s. 88) je matematický předpis který, pokud je aplikován na funkci, převádí ji na

Aplikovaná numerická matematika

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Fyzika I. Něco málo o fyzice. Petr Sadovský. ÚFYZ FEKT VUT v Brně. Fyzika I. p. 1/20

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

1 Modelování systémů 2. řádu

Buněčné automaty a mřížkové buněčné automaty pro plyny. Larysa Ocheretna

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Simulace (nejen) fyzikálních jevů na počítači

Teorie systémů TES 1. Úvod

IV117: Úvod do systémové biologie

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Základy matematiky pro FEK

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. CW01 - Teorie měření a regulace 10.2 ZS 2010/2011. reg Ing. Václav Rada, CSc.

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Testování pamětí (Memory BIST)

Matematický ústav UK Matematicko-fyzikální fakulta

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

3. Třídy P a NP. Model výpočtu: Turingův stroj Rozhodovací problémy: třídy P a NP Optimalizační problémy: třídy PO a NPO MI-PAA

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

AUTOMATY A GRAMATIKY

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

Parciální diferenciální rovnice

SYSTÉMOVÁ METODOLOGIE (VII) Kybernetika. Ak. rok 2011/2012 vbp 1

Metoda konečných prvků Úvod (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Numerické metody optimalizace - úvod

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

POŽADAVKY K SOUBORNÉ ZKOUŠCE Z MATEMATIKY

Martin Lísal. Úvod do MPI

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

Propojení matematiky, fyziky a počítačů

SYSTÉMY NAČIPU MI-SOC

APLIKACE V ROBOTICE. 1. Úvod

ODR metody Runge-Kutta

A6M33SSL: Statistika a spolehlivost v lékařství Teorie spolehlivosti

Určení předmětů, jejich formy a témata pro profilovou část maturitní zkoušky v roce 2011/12 v jarním i podzimním termínu

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

Mechanika s Inventorem

1. Obyčejné diferenciální rovnice

OPTIMALIZACE A MULTIKRITERIÁLNÍ HODNOCENÍ FUNKČNÍ ZPŮSOBILOSTI POZEMNÍCH STAVEB D24FZS

3. Aritmetika nad F p a F 2

SIMULACE SYSTÉMŮ S ROZPROSTŘENÝMI PARAMETRY V SIMULINKU

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

Základy matematické analýzy

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

Projekt IMPLEMENTACE ŠVP. pořadí početních operací, dělitelnost, společný dělitel a násobek, základní početní operace

Algoritmizace diskrétních. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Diskrétní řešení vzpěru prutu

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Arnoldiho a Lanczosova metoda

Jak je důležité být fuzzy

Inverzní Laplaceova transformace

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

Doc. Ing. Daniel Kaminský, CSc. ELCOM, a.s.

HIERARCHICKÝ OPTIMÁLNÍ REGULÁTOR Branislav Rehák ČVUT FEL, katedra řídicí techniky

Matematika I. Katedra matematiky a deskriptivní geometrie mdg.vsb.cz

Učitelství 2. stupně ZŠ tématické plány předmětů matematika

Algoritmus. Přesné znění definice algoritmu zní: Algoritmus je procedura proveditelná Turingovým strojem.

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Transkript:

Modelování fyzikálního okoĺı Stefan Ratschan Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologíı České vysoké učení technické v Praze 25. října 2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1 / 16

Modelování jevů z reálného světa Až dosud množina stavů byla konečná (např., S = B n, F), anebo, aspoň spočetná (např., S = N, list(n), array(z)). Ale, to nestačí pro modelování většiny jevů z reálného světa: čas rychlost zrychlení tlak teplota Časové automaty nám dovolují modelovat čas: hodiny které znova spouštět (reset do hodnoty 0), a které běží úplnou stejnou rychlostí. Ale co děláme s rychlostí, tlakem, teplotou atd.? 2 / 16

Modelování jevů z reálného světa Můžeme je modelovat reálnými proměnnými, ale potřebujeme flexibilnější způsob specifikování jejich vývoje v čase (t.j., jejich dynamika). Vektorové pole: Intuice: Přiřazuje možným hodnotám reálných čísel směr kterým se budou vyvíjet Formálně: Pro S R n, f : S R n 3 / 16

Diferenciální rovnice Vektorové pole f : S R n Hledáme funkci která sleduje vektorovo pole Z toho: obyčejná diferenciální rovnice: ẋ = f (x) x: funkce [0, ] R n Řešení: x : [0, ] R n, tak, že pro každý t [0, ], ẋ(t) = f (x(t)) Takovo řešení se obykle i nazývá trajektoríı diferenciální rovnice. Viz. cesta přechodového systému. Demo. Časové znázornění vs. znázornění v stavovém prostoru Obykle, podobně jako u přechodoých systémů, stanujeme počáteční podmínky 4 / 16

Delay differential equations electronics sensor plant actuator Teorie řízení: regulátor nastavuje aktuátory podle vektorové pole Problém: regulátor implementováno na čipu nereaguje hned Modelování této prodlevy: t. ẋ(t) = f (x(t d)) Používá se i v biologii: inkubační doba, délka březosti 5 / 16

Diferenciální algebraické rovnice Občas známe nejen vektorové pole určující evoluci reálných proměnných, ale dodatečné podmínky: Příklad: Kyvadlo, x 2 + y 2 = l, přičemž l je délka kyvadla Robotika: Podmínky danou geometrie robotu Scilab demo ẋ = f (x, y), 0 = g(x, y), přičemž x : R 0 R n, y : R 0 R m, f : R n+m R n, g : R n+m R m. 6 / 16

Parciální diferenciální rovnice Občas mám fyzikální jevy které nemají jen jednu reálnou hodnotu, ale v prostoru distribuované hodnoty. Příklad: síla působující na každý bod křídla letadla Tudíž: nemáme jen jednotlivé reálné hodnoty vyvíjející se v čase, ale reálnou funkci vyvíjející se v čase Demo: movies Tady musíme předat žezlo matematikům Heslo: FEM (finite element method), metoda konečných prvků 7 / 16

Nedetermismus Z dávných časů: Obvykle máme obrovský nedeterminismus pocházející z Okoĺı systému (např. uživatel, počasí) Neznámé detaily Detaily které jsme nemodelovali Jak to vypadá u diferenciálních rovnicí? Nepřiřazujeme jednoznačný směr vývoje (f : S R n ), ale množinu možností F : S 2 Rn, anebo relaci r : S R n. Výsledek: diferenciální inkluze u(t) F (u(t)), anebo diferenciální relace r(u(t), u(t)) (např. diferenciální nerovnice) 8 / 16

Modelování systémů Systémy o které máme zájem v této přednášce nejsou ani čistě elektronické ani čistě fyzikální. Ale: Cyber-physical systems: software/digitální elektronika vestavěná ve fyzikálním okoĺı. Musíme modelovat oba dva jevy dohromady! Hybridní systém: Výsledek svatby mezi konečným přechodovém systémem a obyčejnými diferenciálními rovnicemi. 9 / 16

Hybridní systém Příklad: Thermostat off x 18 on 0 x 30 x ẋ = x ẋ = x + 40 x 22 t Množina stavů: S M R n, přičemž M diskrétní, obvykle konečná množina (množina modů). Množina počátečních stavů: I S. Diskrétní přechodová relace: J S S (množina skoků) Spojitá přechodová relace: F S R n (toková množina) 10 / 16

Cesta/Trajektorie hybridního systému Svatba mezi diskrétní cestou a spojitou trajektoríı Posloupnost párů (m 0, r 0 ),..., (m p, r p ) tak, že pro každé i {0,... p}, m i je modus r i : [0, ] R n je diferenciální funkce délky l i tak, že : (m 0, r 0 (0)) I pokud i > 0 pak (m i 1, r i 1 (l i 1 ), m i, r i (0)) J, i pokud l i > 0 pak, pro každé t [0, l i ], (m i, r i (t), ṙ i (t)) F, 11 / 16

Modeling Languages V průmyslu: různé jazyky pro modelování systémů Hybridní system + pomůcky pro modelování Grafické jazyky: Matlab/Simulink, Scilab/Xcos,... Textové jazyky: Modelica,... model Capacitor parameter Capacitance C; Voltage u "Voltage drop between pin_p and pin_n"; Pin pin_p, pin_n; equation 0 = pin_p.i + pin_n.i; u = pin_p.v - pin_n.v; C * der(u) = pin_p.i; end Capacitor Různé knihovny pro určité aplikace: hydraulika, vodní elektrárny, různé automobilové aplikace,... 12 / 16

Diskretní versus spojité modelování Cyber: vždy diskrétní model? Physical: vždy spojitý model? Občas, fyzikální systém sám má částečně diskrétní povahu. Na příklad: fyzikální kontakt: míč diskrétní zařízení v systému: vypínač, řadicí páka diskrétní modelování: linearizace Občas se spojitost vyskytuje už v software: požadavky na reálný čas: protokoly (po 10 sekundách, udělej...) výpočet spojitých výstupů: hudba, simulace spojitých jevů spojitá abstrakce výpočetních systémů: data streams A samozřejmě existuje ještě analogový obvody 13 / 16

Hierarchie abstrakcí Obecně: Druh modelu (spojitý, diskrétní, probabilistický) není inherentní vlastnost reality kterou modelujeme, ale je závislý na aplikaci a úrovni modelování: Elektronika: Programové jazyky, automatové modely Strojové instrukce Hardware desription languages Boolovská logika Tranzistory Elektromagnetické pole (Maxwellovy rovnice,... ) Částice (např. atomy) Kvantová mechanika Fyzikální systémy: Databáze součástí Newtonovy pohybové zákony, zákony proudění atd. Statistická termodynamika Částice (např. atomy) 14 / 16

Simulace obyčejných diferenciálních rovnic Na rozdíl od diskrétních systémů, obecně se musí aproximovat. Nejjednoduchá metoda: Eulerova metoda: Místo ẋ(t) = f (x(t)): x(t + h) = hf (x(t)) Dva druhy chyb: Diskretizace Zaokrouhlení Jsou libovolně složité algoritmy pro výpočet dobrých aproximací. 15 / 16

Analýza hybridních systémů Simulace: Libovolně malá aproximativní chyba může způsobit libovolně odlišnou simulaci. Diskretizace může přeskočit podmínky skoků Verifikace: příští přednáška 16 / 16