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Parameteridentifikation bei einem linearen dynamischen System mittels Kleinster Quadrate Methode

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(PL google-translate)

Es wird ein lineares Feder-Masse-Dämpfer-System modelliert und simuliert und dann versucht, mittels Kleinster Quadrate Methode die Modellparameter aus den Simulationsdaten wieder zu gewinnen.

Gegeben sei folgendes System:

$ m \ddot x + D \dot x + C x = F $

Formel 0-1: Lineares Feder-Masse-Dämpfer-System mit äußerer Kraft F.


Gewinnung fiktiver Messdaten mittels Simulation

Für m=2kg, D=0.5Ns/m und C=1N/m wird für das System die Sprungantwort mit F=1N simuliert und der Verlauf von Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung aufgezeichnet:

clear;

m=2.0;
D=0.5;
C=1.0;

F=1.0;

function f = rechteSeite(t,y)
    x = y(1,1);
    v = y(2,1);
    f(1,1) = v;
    f(2,1) = -(C/m)*x-(D/m)*v+F/m;
endfunction

t=0:0.01:4;
y0=[0;0];
t0=0;
y  = ode(y0,t0,t,rechteSeite);

//Rekonstruktion des Verlaufs der Beschleunigung:
a = -(C/m).*y(1,:)-(D/m).*y(2,:)+F/m;

plot(t,y(1,:),'blu',t,y(2,:),'gre',t,a,'red');

Code 0-1: Bereitstellung der Bewegungsdaten durch Simulation.

Verlauf von Auslenkung (blau), Geschwindigkeit (grün) und Beschleunigung (rot).

Bild 0-1: Verlauf von Auslenkung (blau), Geschwindigkeit (grün) und Beschleunigung (rot).

Herstellen der Matrix B und des Vektors d um LSQ anwenden zu können

$ B \cdot \left[\begin{array}{cc}m \\ D \\ C\end{array}\right] + \vec d = \vec r $

Formel 0-2: B enthält spaltenweise die Verläufe der Beschleunigung a & der Geschwindigkeit v und der Auslenkung x. d enthält zu jedem Zeitpunkt die negative Kraft F & also -1.


//Herstellen der Matrix B und des Vektors d
zeilen_spalten = size(t');
zeilen = zeilen_spalten(1);

B = [a',y(2,:)',y(1,:)'];
d = -F*ones(zeilen,1);

c = lsq(B,-d)

Code 0-2: Bereitstellung der "Messwerte" und Anwendung der Kleinste Quadrate Methode.

...liefert (rekonstruiert) die fraglichen Parameter.

Bild 0-2: ...liefert (rekonstruiert) die fraglichen Parameter.