Analýza reziduí gyroskopu

Podobné dokumenty
Analýza reziduí gyroskopu umístěného na kyvadle p.1

Lineární regrese. Komentované řešení pomocí MS Excel

Stanovení manganu a míry přesnosti kalibrace ( Lineární kalibrace )

Úvod do analýzy časových řad

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Regresní analýza. Eva Jarošová

Jednofaktorová analýza rozptylu

Kalibrace a limity její přesnosti

Semestrální práce. 2. semestr

Závislost obsahu lipoproteinu v krevním séru na třech faktorech ( Lineární regresní modely )

Úloha 1: Lineární kalibrace

Ekonometrie. Jiří Neubauer

1 Tyto materiály byly vytvořeny za pomoci grantu FRVŠ číslo 1145/2004.

Testování statistických hypotéz. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

AVDAT Geometrie metody nejmenších čtverců

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2 Přednáška 5 - Chyby a nejistoty měření. Jan Krystek

Bodové a intervalové odhady parametrů v regresním modelu

13.1. Úvod Cílem regresní analýzy je popsat závislost hodnot znaku Y na hodnotách

Statistika II. Jiří Neubauer

LINEÁRNÍ REGRESE Komentované řešení pomocí programu Statistica

Univerzita Pardubice SEMESTRÁLNÍ PRÁCE. Tvorba lineárních regresních modelů. 2015/2016 RNDr. Mgr. Leona Svobodová, Ph.D.

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE. Leptání plasmou. Ing. Pavel Bouchalík

= = 2368

Zadání Máme data hdp.wf1, která najdete zde: Bodová předpověď: Intervalová předpověď:

Statistika (KMI/PSTAT)

Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická Katedra analytické chemie

Modely stacionárních časových řad

Regresní analýza. Ekonometrie. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FVL UO Brno kancelář 69a, tel

Diagnostika regrese pomocí grafu 7krát jinak

6. Lineární regresní modely

Zákony hromadění chyb.

Kalibrace odporového teploměru a termočlánku

Cvičení 9 dekompozice časových řad a ARMA procesy

Pearsonův korelační koeficient

Aplikovaná statistika v R - cvičení 3

Testování statistických hypotéz

Intervalové odhady. Interval spolehlivosti pro střední hodnotu v N(µ, σ 2 ) Interpretace intervalu spolehlivosti. Interval spolehlivosti ilustrace

Statistická analýza jednorozměrných dat

RNDr. Eva Janoušová doc. RNDr. Ladislav Dušek, Dr.

Inovace bakalářského studijního oboru Aplikovaná chemie

4EK211 Základy ekonometrie

Intervalové odhady. Interval spolehlivosti pro střední hodnotu v N(µ, σ 2 ) Interpretace intervalu spolehlivosti. Interval spolehlivosti ilustrace

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta chemicko-technologická Katedra analytické chemie Nám. Čs. Legií 565, Pardubice

Kalibrace a limity její přesnosti

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

pracovní list studenta

Chyby měření 210DPSM

KALIBRACE A LIMITY JEJÍ PŘESNOSTI. Semestrální práce UNIVERZITA PARDUBICE. Fakulta chemicko-technologická Katedra analytické chemie

8 ANALÝZA ČASOVÝCH ŘAD SEZÓNNÍ SLOŽKA

Tvorba nelineárních regresních modelů v analýze dat

http: //meloun.upce.cz,

Pravděpodobnost v závislosti na proměnné x je zde modelován pomocí logistického modelu. exp x. x x x. log 1

Korelační a regresní analýza

STŘÍDAVÝ PROUD VY_ 52_INOVACE_92

MÍRY ZÁVISLOSTI (KORELACE A REGRESE)

7. Analýza rozptylu.

Tabulka 1. Výběr z datové tabulky

2011 (datový soubor life expectancy CR.txt). Budeme predikovat vývoj očekávané doby dožití pomocí

3.5 Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance

Měření odporu ohmovou metodou

Fakulta chemicko technologická Katedra analytické chemie licenční studium Management systému jakosti Kalibrace a limity její přesnosti

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

Statistická analýza dat podzemních vod. Statistical analysis of ground water data. Vladimír Sosna 1

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

SPC v případě autokorelovaných dat. Jiří Michálek, Jan Král OSSM,

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

Tabulka 1 Rizikové online zážitky v závislosti na místě přístupu k internetu N M SD Min Max. Přístup ve vlastním pokoji ,61 1,61 0,00 5,00

Test z teorie VÝBĚROVÉ CHARAKTERISTIKY A INTERVALOVÉ ODHADY

Vstupní signál protne zvolenou úroveň. Na základě získaných údajů se dá spočítat perioda signálu a kmitočet. Obrázek č.2

KALIBRACE A LIMITY JEJÍ PŘESNOSTI 2015

Časové řady a jejich periodicita pokračování

Aproximace a vyhlazování křivek

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Stručný úvod do testování statistických hypotéz

12. licenční studium Statistické zpracování dat při managementu jakosti. Lenka Hromádková

Teorie časových řad Test 2 Varianta A HODNOCENÍ (max. 45 bodů z 50 možných)

Normální (Gaussovo) rozdělení

Testy statistických hypotéz

Statistika pro geografy

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

Chyby nepřímých měření

Příloha č. 1 Grafy a protokoly výstupy z adstatu

Česká zemědělská univerzita v Praze. Provozně ekonomická fakulta. Statistické softwarové systémy projekt

Korelační a regresní analýza. 1. Pearsonův korelační koeficient 2. jednoduchá regresní analýza 3. vícenásobná regresní analýza

Plánování experimentu

Univerzita Pardubice Fakulta chemicko technologická Katedra analytické chemie Licenční studium Management systému jakosti

Chyby měřidel a metody měření vybraných fyzikálních veličin

Někdy lze výsledek pokusu popsat jediným číslem, které označíme X (nebo jiným velkým písmenem). Hodíme dvěma kostkami jaký padl součet?

STANOVENÍ PROPUSTNOSTI OBALOVÝCH MATERIÁLŮ PRO VODNÍ PÁRU

SAMOSTATNÁ STUDENTSKÁ PRÁCE ZE STATISTIKY

Kalibrace a limity její přesnosti

Test z teorie VÝBĚROVÉ CHARAKTERISTIKY A INTERVALOVÉ ODHADY

Korelace. Komentované řešení pomocí MS Excel

Regresní analýza 1. Regresní analýza

Náhodné veličiny jsou nekorelované, neexistuje mezi nimi korelační vztah. Když jsou X; Y nekorelované, nemusí být nezávislé.

Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

Transkript:

Analýza reziduí gyroskopu Petr Šimeček Cílem studie bylo analyzovat přesnost tří neznámých gyroskopů, jež pro účely této studie budeme nazývat Gyroskop 1, Gyroskop 2 a Gyroskop 3. U prvních dvou gyroskopů jsme měli k dispozici skutečné hodnoty a bylo tedy možno stanovit přesnou chybu gyroskopu. V třetím případě jsme sice neznali skutečnou hodnotu, ale měření jsme mnohokrát opakovali. Práce je rozdělena do tří částí. V první části budeme diskutovat data, jež máme k dispozici. V druhé části jsou popsány provedené analýzy a jejich výsledky. Třetí část shrnuje dosažené závěry a interpretuje je. Veškeré výpočty byly provedeny v prostředí R. V následujícím textu budeme často hovořit o směrodatné odchylce chyb či reziduí. Dovolil bych si připomenout, že směrodatná odchylka je odmocnina z rozptylu a že za předpokladu normality se 95% chyb nachází v rozmezí přibližně plus mínus dvojnásobek směrodatné odchylky. 1 Data 1.1 Gyroskop 1 Data tvoří 10543 úhlových rychlostí naměřených Gyroskopem 1 spolu se stejným počtem naměřených teplot tohoto gyroskopu. Data byla zaznamenávána s frekvencí 1 sekunda. Chybu gyroskopu v závislosti na čase můžeme pozorovat na Obrázku 1. Pozorovaný vývoj chyby gyroskopu v závislosti na čase se zdá býti dobře vysvětlitelný změnou teploty gyroskopu viz Obrázek 2. Ač se daná závislost chyby na teplotě jeví býti na první pohled lineární, ve skutečnosti je zde signifikantní kvadratický trend a informační kritéria ukazují na závislost ještě vyššího stupně. 1.2 Gyroskop 2 Data tvoří 11715 úhlových rychlostí naměřených Gyroskopem 2 opět spolu naměřenými mi. Frekvence měření je opět jedna sekunda. Chybu gyroskopu v závislosti na čase můžeme pozorovat na Obrázku 3. Závislost chyby na teplotě zachycuje Obrázek 4. Povšimněme si především výrazně vyššího rozsahu teplot než v prvním případě. Zdá se, že u vyšších teplot dochází k podstatné změně závislosti chyby gyroskopu na teplotě. Abychom mohli Gyroskop 2 a Gyroskop 1 porovnat, budeme uvažovat pouze pozorování, kde nepřekročila 37 C a vyloučíme zjevně odlehlá pozorování 20 a 21. 1

2046 0 200 400 0 2000 4000 6000 8000 Obrázek 1: Závislost chyby Gyroskopu 1 na čase 2046 0 200 400 20 10 0 10 20 30 40 Obrázek 2: Závislost chyby Gyroskopu 1 na teplotě 1.3 Gyroskop 3 K dispozici máme 2290249 pozorování, jež jsou zaznamenávána s frekvencí desetiny sekundy (viz Obrázek 5). Takto obrovský objem dat vytváří při zpracování enormní nároky jak na paměť, tak na výkon počítače. Některé standardní funkce jazyka R nebylo z těchto důvodů možno použít. Pozorování se periodicky opakují, přičemž délka periody je přibližně 4.1 sekunda. Rozsah teploty je podstatně nižší než v předchozích dvou případech, od 32.3 C do 37.7 C. Bohužel délka periody se během experimentu mění. Na začátku je perioda spíše kratší (prvních pět: 3.9, 4.0, 3.9, 3.9, 4.0) a na konci spíše delší (posledních 2

2850 0 40 80 0 2000 6000 10000 Obrázek 3: Závislost chyby Gyroskopu 2 na čase 2850 0 40 80 20 0 20 40 60 Obrázek 4: Závislost chyby Gyroskopu 2 na teplotě pět: 4.1, 4.4, 4.3, 4.3, 4.1), ale lze ukázat, že tato změna není monotónní v čase neboli že perioda se střídavě zkracuje a prodlužuje. Tato skutečnost činí analýzu dat značně obtížnou, ne-li nemožnou. 2 Analýzy a výsledky 2.1 Gyroskop 1 Směrodatná odchylka chyb Gyroskopu 1 je na počátku 100.5 jednotek. Po korekci vzhledem k lineární závislosti na teplotě se tato odchylka sníží na 3

Prvnich 10 sekund gyro 20000 0 20000 0 2 4 6 8 10 Obrázek 5: Začátek pozorované řady 4.2, přičemž na každý stupeň teploty připadá korekce 6.8 jednotek úhlové rychlosti. Pokud místo lineární závislosti uvažujeme kvadratickou, sníží se nám směrodatná odchylka chyby po korekci až na 2.0. Výběr modelu podle Akaikeho informačního kritéria radí použít polynomiální závislost až šestého řádu neboli modelovat původní chybu gyroskopu jako = β 0 + β 1 t + β 2 t 2 + β 3 t 3 + + β 6 t 6 + ɛ, kde t je gyroskopu, β 0,..., β 6 reálné konstanty a ɛ zbylá, nevysvětlená odchylka. Směrodatná odchylka reziduí již ale výrazněji neklesne. Nepříjemným faktem je, že nevysvětlené části chyb se mezi sebou zdají býti korelované a to s dlouho pamětí viz graf autokorelační funkce, Obrázek 6. 2.2 Gyroskop 2 Směrodatná odchylka chyb Gyroskopu 2 je na počátku 10.0 jednotek. Tento gyroskop je tudíž při změnách teploty řádově přesnější než Gyroskop 1. Na teplotě je taktéž mnohem méně závislý. Jednomu stupni teploty odpovídá změna úhlové rychlosti o 0.7 jednotek. Po korekci na teplotu tudíž nedosáhneme tak velkého zlepšení jako v minulém případě. Při korekci polynomem šestého stupně v závislosti na teplotě má nevysvětlená část chyby směrodatnou odchylku 2.5 jednotek. Na rozdíl od Gyroskopu 1 se tato rezidua nezdají býti korelovaná (p hodnota Durbin Watsonova testu 0.34). 2.3 Gyroskop 3 Díky měnící se periodě je nesnadné data analyzovat. Je pochopitelně možné na základě bodů zvratu provést přibližné rozdělení řady na jednotlivé periody. V důsledku šumu je ale toto rozdělení nepřesné, navíc se nezdá být rozumné 4

Dlouha pamet ACF 0.0 0.4 0.8 0 10 20 30 40 Lag Obrázek 6: Autokorelační funkce nevysvětlené části chyb předpokládat, že by délka period byla násobkem desetiny sekundy. Ke všemu ke změnám teploty dochází skokově, jak lze pozorovat na Obrázku 7. Prvnich 100 sekund 34.55 34.65 0 20 40 60 80 100 Obrázek 7: Závislost teploty na čase I když tedy překonáme nesnáze, s nimiž se musíme při regresní analýze takto obrovského objemu dat nutně potýkat, zjistíme, že v důsledku výše uvedených faktů se Gyroskop 3 jeví mít po odstranění periodicity a korekci vzhledem k teplotě míti směrodatnou odchylku chyby kolem 1000 jednotek. Pomožme si tedy následujícím trikem abychom eliminovali periodicitu a vyrovnali se navíc s proměnlivou délkou periody, zprůměrujme naměřená po- 5

zorování po 10000. Nová data mají tedy 229 pozorování, přičemž směrodatná odchylka by měla být u nových dat přibližně setinou směrodatné odchylky původní. Závislost těchto nových dat na teplotě 1 je znázorněná na Obrázku 8. Soucty pres 10 000 pozorovani gyro 20 0 20 40 60 33 34 35 36 37 Obrázek 8: Závislost chyby nových dat na teplotě Zajímavý je fakt, že tato závislost se zdá být čistě lineární. Může to být však způsobeno nižším rozsahem teploty než v minulých případech. Korekce na teplotu je 6.8 jednotek na každý stupeň Celsia, tedy totožná jako v případě Gyroskopu 1. Lze tedy předpokládat, že tyto dva gyroskopy budou podobného typu. Bylo též ověřeno, že daný odhad se nezmění, když budeme průměrovat skupiny po 1000 a nikoli po deseti tisících. Směrodatná odchylka Gyroskopu 3 se však jeví být o několik řádů vyšší než u předchozích dvou gyroskopů. Lze předpokládat, že se tak děje v důsledku odlišné metodiky měření a že je to v důsledku toho, že při opakování měření dochází k zvýšení šumu 2. 3 Závěr Chyba přístroje Gyroskop 1 se zdá být na první pohled výrazně vyšší nežli přístroje Gyroskop 2. Tento rozdíl ale zmizí, pakliže provedeme korekci vzhledem k teplotě přístrojů, neboť Gyroskop 1 je na změnu teploty podstatně citlivější. Zbývající nevysvětlená má u obou přístrojů směrodatnou odchylku přibližně 2 2.5 jednotek. Experiment s Gyroskopem 3 byl proveden za použití odlišné metodiky, ale závislost chyby tohoto gyroskopu na teplotě se zdá být stejná jako u Gy- 1 Teplota je spočítána jako průměrná z oněch 10000 pozorování. 2 Opakování měření bylo realizováno za pomocí stále dokola se točícího motorku. Lze tedy předpokládat, že pohyb motorku má daleko k tomu býti rovnoměrným, jak ostatně ukazují i změny v délce periody. 6

roskopu 1. Tento přístroj se zdá být podstatně méně přesný, ale tuto chybu lze vysvětlit odlišným provedením experimentu. Postup použitý pro testování Gyroskopu 1 a Gyroskopu 2 se zdá být vhodnější než metoda pro Gyroskop 3. 7