def smp_nonlinear_model(plotting=False):
"""Пример идентификации объекта, описываемого
нелинейной моделью, с использованием простейшего
адаптивного алгоритма."""
def obj(x, u):
return 10 + 2 * np.sin(1 * x) + 4 * u + np.random.uniform(-1, 1)
m = create_model('a0+a1*sin(a2*x1(t-1))+a3*u1(t-1)')
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(x=[[0, 9.94, 13.41, 15.44]],
a=[[1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1]],
u=[[0, 1, 1, 1]])
smp = alg_old.Adaptive(idn, method='smp')
n = 20 # количество тактов
a = np.zeros((n, 4))
o_ar = np.zeros((n,))
m_ar = np.zeros((n,))
u_ar = [i+1 for i in range(n)]
for i in range(n):
obj_val = [obj(*idn.model.last_x, *idn.model.get_var_values(t='u')[0])]
new_a = smp.update(obj_val)
idn.update_x(obj_val)
idn.update_u([u_ar[i]])
idn.update_a(new_a)
a[i] = new_a
o_ar[i] = obj_val[0]
m_ar[i] = idn.model.get_last_model_value()
print(a)
if plotting:
t = np.array([i for i in range(n)])
real_a = [10, 2, 1, 4]
draw(t, o_ar, m_ar, a, real_a)
def lsm_nonlinear_model(plotting=False):
"""Пример с нелинейной моделью, внешним
воздействим и алгоритмом на основе МНК."""
def obj(x, j):
res = 3 + 0.1 * np.power(x, 1.5) + np.random.uniform(-0.2, 0.2)
if 10 < j <= 15:
res += 5
return res
m = create_model('a0+a1*(x(t-1)**a2)')
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(x=[[2.82, 3.43, 3.617]],
a=[[1, 1, 1], [1, 1, 1], [1, 1, 1]],
u=[])
lsm = alg_old.Adaptive(idn, m='lsm')
n = 20
a = np.zeros((n, 3))
o_ar = np.zeros((n,))
m_ar = np.zeros((n,))
for i in range(n):
obj_val = [obj(*idn.model.last_x, i)]
new_a = lsm.update(obj_val, w=0.04, init_weight=0.04)
idn.update_x(obj_val)
idn.update_a(new_a)
a[i] = new_a
o_ar[i] = obj_val[0]
m_ar[i] = idn.model.get_last_model_value()
print(a)
if plotting:
real_a = [3, 0.1, 1.5]
t = np.array([i for i in range(n)])
draw(t, o_ar, m_ar, a, real_a)
def lsm_linear_model(plotting=False):
"""Пример идентификации модели с чистым
запаздыванием с использованием алгоритма
на основе МНК."""
def obj(x, u):
return 10 + 0.1 * x + 5 * u + np.random.uniform(-1, 1)
m = create_model('a_0+a1*x1(t-1)+a_2*u1(t-3)')
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(x=[[10, 12, 11.2]], a=[[1, 1, 1], [1, 1, 1], [1, 1, 1]], u=[[0, 0, 1, 0, 0]])
lsm = alg_old.Adaptive(idn, m='lsm')
n = 20
a = np.zeros((n, 3))
o_ar = np.zeros((n,))
m_ar = np.zeros((n,))
u_ar = [i + 1 for i in range(n)]
for i in range(n):
obj_val = [obj(*idn.model.last_x, *idn.model.get_var_values(t='u')[0])]
new_a = lsm.update(obj_val, w=0.01, init_weight=0.01)
idn.update_x(obj_val)
idn.update_u([u_ar[i]])
idn.update_a(new_a)
a[i] = new_a
o_ar[i] = obj_val[0]
m_ar[i] = idn.model.get_last_model_value()
print(a)
if plotting:
real_a = [10, 0.1, 5]
t = np.array([i for i in range(n)])
draw(t, o_ar, m_ar, a, real_a)
def smp_linear_model(plotting=False):
"""Пример идентификации для простой модели с
импользованием простейшего адаптивного алгоритма."""
# функция имитирующая объект
def obj(x):
return 5 + 0.5 * x + np.random.uniform(-1, 1)
# создаем модель, имеет два неизвестных коэффициентов a0 и a1
m = create_model('a0+a1*x(t-1)')
# создаем идентификатор
idn = identifier.Identifier(m)
# проводим инициализацию начальных значений,
# простейший адаптивный алгоритм не сольно чувствителен
# к начальным данным, но если все входы/выходы
# инициализировать нулями, то свободный коэффициент
# (если есть) вычислиться точнее.
# Закомментируйте следующую строку и раскомментируйте
# строку за ней, посмотрите на результат.
idn.init_data(x=[[0, 0]], a=[[1, 1], [1, 1]])
# idn.init_data(x=[[0, 5]], a=[[1, 1], [1, 1]])
# выбор простейшего адаптивного алгоритма
smp = alg_old.Adaptive(idn, method='smp')
n = 20 # количество тактов
a = np.zeros((n, 2))
o_ar = np.zeros((n, ))
m_ar = np.zeros((n, ))
# основной цикл, имитируем 20 тактов
for i in range(n):
# измерение выхода объекта
obj_val = [obj(*idn.model.last_x)]
# идентификация коэффициентов
new_a = smp.update(obj_val)
# обновление данных идентификатора
idn.update_x(obj_val)
idn.update_a(new_a)
a[i] = new_a
o_ar[i] = obj_val[0]
m_ar[i] = idn.model.get_last_model_value()
print(a)
if plotting:
t = np.array([i for i in range(n)])
real_a = [5, .5]
draw(t, o_ar, m_ar, a, real_a)
def robust_lsm_linear_model(plotting=False): # FIXME: проверить.
"""Пример идентификации модели объекта с
использованием робастного алгоритма на основе МНК.
Выброс производится намеренно на 20 такте для
демонстрации работы алгоритма."""
def obj(x, u):
return 5 + 0.5 * x + 2 * u + np.random.uniform(-0.1, 0.1)
m = create_model('a0+a1*x(t-1)+a2*u(t-1)')
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(x=[[0, 4.85, 9.26]],
a=[[1, 1, 1], [1, 1, 1], [1, 1, 1]],
u=[[0, 1, 1]])
lsm = alg_old.AdaptiveRobust(idn, m='lsm')
n = 30
a = np.zeros((n, 3))
o_ar = np.zeros((n,))
m_ar = np.zeros((n,))
u_ar = [i + 1 for i in range(n)]
for i in range(n):
if i == 0:
obj_val = obj(*idn.model.last_x, *idn.model.last_u)
else:
obj_val = obj(o_ar[i-1], *idn.model.last_u)
if i == 20:
# имитация выброса, на состоянии объекта он не сказывается.
# например ошибка чтения с датчика.
o_ar[i] = obj_val
obj_val = 10 * obj_val # TODO: такое поведение из-за того, что выброс сохраняется в памяти
print(obj_val)
else:
o_ar[i] = obj_val
new_a = lsm.update([obj_val], w=0.01, init_weight=0.01, core='abs_pow', mu=0.5)
idn.update_x([obj_val])
idn.update_u([u_ar[i]])
idn.update_a(new_a)
a[i] = new_a
m_ar[i] = idn.model.get_last_model_value()
print(a)
if plotting:
real_a = [5, 0.5, 2]
t = np.array([i for i in range(n)])
draw(t, o_ar, m_ar, a, real_a)
def example_3():
"""Пример использование библиотеки CotPy для адаптивного
управления на основе модели без идентификации.
Модель с инерцией по управлению."""
def obj(x, u1, u2):
"""Функция имитации объекта."""
return x + u1 + u2
def xt(j):
"""Функция генерации уставки."""
if j < 10:
return 10
elif 10 <= j < 15:
return 100
elif 15 <= j <= 20:
return 250
else:
return 50
m = model.create_model("x(t-1)+u(t-1)+u(t-2)")
m.initialization(x=[[0]], u=[[0, 0]])
r = Regulator(m)
r.synthesis()
r.set_limit(-25, 40)
n = 30
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
xt_ar = np.zeros((n, ))
for i in range(n):
obj_val = [
obj(*m.get_var_values(t='x')[0],
*m.get_var_values(t='u')[0])
]
new_u = r.update(obj_val, xt(i + 1))
m.update_x(obj_val)
m.update_u(new_u)
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = obj_val[0]
xt_ar[i] = xt(i)
t = np.array([i for i in range(n)])
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
def example_7():
"""Пример расчета коэффициентов модели по имеющимся
данным входов и выходов объекта.
Используется стандартный метод наименьших квадратов."""
# исходные данные входов (u) и выходов (x) объекта
u = [
100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100,
100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100,
100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100,
100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100,
100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100, 100,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70, 70,
70, 70
]
x = [
27.4, 28.1, 30.0, 30.8, 31.1, 31.4, 31.6, 31.9, 32.1, 32.4, 32.8, 33.2,
33.7, 34.3, 34.8, 35.4, 36.1, 36.8, 37.6, 38.3, 39.0, 39.8, 40.6, 41.4,
42.1, 42.9, 43.7, 44.4, 45.2, 46.0, 46.7, 47.5, 48.3, 49.1, 49.8, 50.6,
51.4, 52.3, 53.1, 53.9, 54.7, 55.5, 56.3, 57.2, 58.0, 58.9, 59.8, 60.7,
61.6, 62.5, 63.4, 64.4, 65.3, 66.3, 67.2, 68.1, 68.9, 69.9, 70.8, 71.7,
72.6, 73.6, 74.6, 75.8, 76.7, 77.7, 78.7, 79.6, 80.5, 81.4, 82.3, 83.2,
84.0, 84.7, 85.4, 86.1, 86.6, 87.1, 87.5, 87.9, 88.3, 88.6, 88.8, 89.1,
89.4, 89.6, 89.8, 89.9, 90.1, 90.3, 90.4, 90.5, 90.6, 90.8, 90.9, 91.0,
91.1, 91.2, 91.3, 91.4, 91.4, 91.5, 91.6, 91.6, 91.7, 91.8, 91.8, 91.9,
91.9, 91.9, 92.1, 92.1, 92.2, 92.3, 92.3, 92.4, 92.4, 92.5, 92.5, 92.6,
92.6, 92.7, 92.7, 92.8, 92.8, 92.9, 92.9, 92.9, 92.9, 93.0, 93.1, 93.1,
93.1, 93.1, 93.2, 93.2, 93.2, 93.2, 93.2, 93.3, 93.3, 93.3, 93.4, 93.4,
93.4, 93.5, 93.6, 93.6, 93.6, 93.6, 93.6, 93.7, 93.7, 93.7, 93.8, 93.8,
93.8, 93.9, 93.9, 94.0, 94.0, 94.1, 94.1, 94.2, 94.3, 94.3, 94.4, 94.4,
94.4, 94.5, 94.6, 94.6, 94.6, 94.6, 94.7, 94.8, 94.8, 94.8, 94.9, 94.9,
94.9, 95.0, 95.0, 95.1, 95.1, 95.1, 95.2, 95.3, 95.3, 95.3, 95.4, 95.4,
95.4, 95.5, 95.5, 95.5, 95.6, 95.6, 95.6, 95.6, 95.6, 95.6, 95.7, 95.7,
95.7, 95.7, 95.7, 95.6, 95.6, 95.6, 95.6, 95.7, 95.8, 95.8, 95.9, 95.9,
96.0, 96.1, 96.1, 96.1, 96.2, 96.3, 96.3, 96.4, 96.4, 96.4, 96.4, 96.5,
96.5, 96.6, 96.6, 96.6, 96.7, 96.7, 96.8, 96.8, 96.8, 96.8, 96.9, 96.9,
96.9, 97.0, 97.0, 97.0, 97.0, 97.0, 97.0, 97.1, 97.1, 97.1, 97.2, 97.2,
97.3, 97.3, 97.3, 97.3, 97.4, 97.4, 97.4, 97.5, 97.5, 97.5, 97.5, 97.6,
97.6, 97.6, 97.6, 97.6, 97.7, 97.7
]
# создаем модель
expr = "a0+a1*x(t-1)+a2*x(t-2)+a3*u(t-1)+a4*u(t-2)"
m = model.create_model(expr)
idn = identifier.Identifier(m)
print('Модель:', m.sp_expr)
# подготавливаем идентификатор. В начале объект был выключен (управление равно 0) и имел температуру 27.4.
idn.init_data(a=np.ones((5, 5)),
x=np.full((1, 6), x[0]),
u=np.zeros((1, 6)),
type_memory='min',
memory_size=0)
# для вычисления коэффициентов используем стандартный МНК
algorithm = alg_old.LSM(idn, m='lsm')
print('Количество измерений:', len(u))
new_a = algorithm.update(u, x)
print('Коэффициенты:', new_a)
def example_6(use_lsm=False, with_err=False):
"""
Пример использования библиотеки CotPy для модели с дополнительными входами.
:param use_lsm: Если уставновлен True используется адаптивный МНК,
иначе простейший адаптивный алгоритм.
:param with_err: Добавление аддитивной равномерно
распределенной помехи амплитудой 0.1 к выходу объекта
:return: None
"""
a = np.array([1.68, 1.235, -0.319, 0.04, 0.027, 0.1, 0.05])
def obj(x1, x2, u1, u2, z1, z2):
"""Имитация объекта"""
val = a[0] + a[1] * x1 + a[2] * x2 + a[3] * u1 + a[4] * u2 + a[
5] * z1 + a[6] * z2
if with_err:
return val + np.random.uniform(-0.05, 0.05)
else:
return val
def xt():
"""Уставка"""
return 65
# создание модели
expr = "a0+a1*x(t-1)+a2*x(t-2)+a3*u(t-6)+a4*u(t-7)+a5*z1(t-1)+a6*z2(t-1)"
m = model.create_model(expr)
idn = identifier.Identifier(m)
print('Модель:', m.sp_expr)
# TODO: сделать для случая когда память меньше memory_size = 1
if use_lsm:
init_x = [[20, 20, 20.9885, 22.27, 23.39, 24.57, 25.51, 26.06]]
init_u = [[10, 0, 10, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]
init_z = np.array([[5.765, 5.24, 5.00, 5.77, 5.32, 5.90, 5.13],
[2.84, 2.54, 2.76, 2.51, 2.95, 2.52, 2.59]])
method = 'lsm'
else:
init_x = np.full((1, 8), 20.)
init_u = np.zeros((1, 13))
init_z = np.array(
[np.random.uniform(5, 6, 7),
np.random.uniform(2, 2.5, 7)])
method = 'smp'
idn.init_data(a=np.ones((7, 7)),
x=init_x,
u=init_u,
z=init_z,
type_memory='min',
memory_size=5)
algorithm = alg_old.Adaptive(idn, m=method)
r = Regulator(m)
r.set_limit(0, 100)
r.synthesis()
print('Закон управления:', r.expr)
print('Аргументы:', r.expr_args)
n = 240
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
a_ar = np.zeros((n, 7))
xt_ar = np.zeros((n, ))
er = np.zeros((n, 7))
for i in range(n):
x = [
obj(*np.hstack(idn.model.get_var_values(t='x')),
*np.hstack(idn.model.get_var_values(t='u')),
*np.hstack(idn.model.get_var_values(t='z')))
]
if use_lsm:
# В адаптивном МНК применяется метод последовательной линеаризации (МПЛ) и адаптивный вес
new_a = algorithm.update(x,
w=0.01,
init_weight=0.01,
uinc=True,
adaptive_weight=False)
else:
# Используется простейший адаптивный с памятью
new_a = algorithm.update(x,
gamma=1,
gt='a',
weight=0.9,
h=0.1,
use_memory=True)
idn.update_a(new_a)
# Дополнительные входы являются случайными возмущениями (которые можно только измерять)
# и, например, принимают случайные в определенных интервалах
z = [np.random.uniform(5, 6), np.random.uniform(2.5, 3)]
new_u = r.update(x, xt(), ainputs=z)
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = x[0]
a_ar[i] = new_a
xt_ar[i] = xt()
idn.update_x(x)
idn.update_u(new_u)
idn.update_z(z)
er[i] = a - new_a
print('Last coefficients:', idn.model.last_a)
t = np.array([i for i in range(n)])
# График движенияя объекта
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
# График процесса идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=4, ncols=1)
prop_cycle = plt.rcParams['axes.prop_cycle']
colors = prop_cycle.by_key()['color']
plot_coefficient(axs[0], t, a_ar[:, 0], a[0], '$t$', '$\\alpha_{0}$',
colors[0])
n_ax = 1
for i in range(1, len(a) - 1, 2):
for k in range(2):
axs[n_ax].plot(t,
a_ar[:, i + k],
label=f'$\\alpha_{{{str(i+k)}}}$',
linestyle='-',
color=colors[k + 1])
axs[n_ax].plot(t, [a[i + k] for _ in range(n)],
linestyle='--',
color=colors[k + 1])
axs[n_ax].set_xlabel('$t$')
axs[n_ax].set_ylabel(
f'$\\alpha_{{{str(i)}}},\\alpha_{{{str(i + 1)}}}$',
rotation='horizontal',
ha='right')
axs[n_ax].grid(True)
l = axs[n_ax].legend(labelspacing=0, borderpad=0.3)
l.set_draggable(True)
n_ax += 1
plt.show()
def example_5(with_err=False):
"""
Пример использование библиотеки CotPy для адаптивного
управления на основе нелинейной модели с чистым
запаздыванием в 1 такт.
:param with_err: Добавление аддитивной равномерно
распределенной помехи амплитудой 0.2 к выходу объекта
:return: None
"""
a = [1.3, 0.52]
def obj(x, u):
"""Имитация объекта, описываемого нелинейной относительно входов/выходов моделью."""
val = a[0] + a[1] * x * u
if with_err:
return val + np.random.uniform(-0.1, 0.1)
return val
def xt(j):
"""Уставка"""
if j <= 75:
return 75
elif 75 < j <= 100:
return 35
elif 100 < j <= 120:
return 25
else:
return 60
expr = "a0+a1*x(t-1)*u(t-2)"
m = model.create_model(expr)
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(a=np.ones((2, 2)), x=[[1.3, 1.3]], u=[[0, 0, 0]])
# В данном случае простейший адаптивный алгоритм отлично справиться
smp = alg_old.Adaptive(idn, m='smp')
r = Regulator(m)
r.set_limit(0, 100)
r.synthesis()
n = 240
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
a_ar = np.zeros((n, len(a)))
xt_ar = np.zeros((n, ))
for i in range(n):
x_val = [
obj(*idn.model.get_var_values(t='x')[0],
*idn.model.get_var_values(t='u')[0])
]
new_a = smp.update(x_val,
gamma=1,
gt='a',
weight=0.9,
h=0.1,
deep_tuning=False,
aw=False)
idn.update_a(new_a)
new_u = r.update(x_val, xt(i + 1))
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = x_val[0]
a_ar[i] = new_a
xt_ar[i] = xt(i)
idn.update_x(x_val)
idn.update_u(new_u)
print('Last coefficients:', idn.model.last_a)
t = np.array([i for i in range(n)])
# График движенияя объекта
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
# График процесса идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=2, ncols=1)
prop_cycle = plt.rcParams['axes.prop_cycle']
colors = prop_cycle.by_key()['color']
plot_coefficient(axs[0], t, a_ar[:, 0], a[0], '$t$', '$\\alpha_{0}$',
colors[0])
plot_coefficient(axs[1], t, a_ar[:, 1], a[1], '$t$', '$\\alpha_{1}$',
colors[0])
def example_1(with_err=False):
"""
Пример использования библиотеки CotPy
для синтеза закона адаптивного управления
с идентификацией. Используется модель с
чистым запаздыванием в 2 такта.
:param with_err: если True добавляется аддитивная равномерно распределенная помеха
амплитудой 0.2 к измерению выхода объекта
:return: None
"""
a = [-10, 0.3, 3] # реальные коэффициенты
def obj(x, u):
"""Функция имитации объекта."""
val = a[0] + a[1] * x + a[2] * u
if with_err:
return val + np.random.uniform(-0.1, 0.1)
else:
return val
def xt(j):
"""Функция генерации уставки."""
if j < 10:
return 100
elif 10 <= j <= 15:
return 150
else:
return 50
# создание модели (с чистым запаздыванием)
m = model.create_model('a_0+a1*x1(t-1)+a_2*u1(t-3)')
# создание идентификатора и инициализация начальных значений
idn = identifier.Identifier(m)
idn.init_data(x=[[0, -11.33, -9.37]],
a=np.ones((3, 3)),
u=[[0, 2, 3, 4, 4]])
# определение алгоритма идентификации
smp = alg_old.Adaptive(idn, m='smp')
n = 30
# массивы для сохранения промежуточных значений
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
a_ar = np.zeros((n, len(a)))
xt_ar = np.zeros((n, ))
# создание регулятора, установка ограничений на управление и синтез закона управления
r = Regulator(m)
r.set_limit(0, 100)
r.synthesis()
# основной цикл
for i in range(n):
# измерение выхода объекта
obj_val = [
obj(*idn.model.get_var_values(t='x')[0],
*idn.model.get_var_values(t='u')[0])
]
# Для идентификации используется простейший адаптивный алгоритм
# с методом последовательной линеаризации (глубокая подстройка)
new_a = smp.update(obj_val,
gamma=0.01,
gt='a',
weight=0.9,
h=0.1,
deep_tuning=True)
idn.update_a(new_a)
# расчет управляющего воздействия
new_u = r.update(obj_val, xt(i + 3))
# сохранение промежуточных результатов для построения графика
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = obj_val[0]
a_ar[i] = new_a
xt_ar[i] = xt(i)
# обновление состояния модели
idn.update_x(obj_val)
idn.update_u(new_u)
t = [i for i in range(n)]
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
# График процесса идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=3, ncols=1)
prop_cycle = plt.rcParams['axes.prop_cycle']
colors = prop_cycle.by_key()['color']
for i in range(len(a)):
plot_coefficient(axs[i], t, a_ar[:, i], a[i], '$t$',
f'$\\alpha_{{{str(i)}}}$', colors[i])
plt.show()
def example_4(use_lsm=False, with_err=False):
"""
Пример использование библиотеки CotPy для адаптивного
управления на основе сложной линейной модели с чистым
запаздыванием в 5 тактов.
Моделируется процесс нагрева и поддержания температуры жидкости.
:param use_lsm: Использование адаптивного алгоритма МНК.
Есле use_lsm=False используется простейшый адаптивный алгоритм.
:param with_err: Добавление аддитивной равномерно распределенной помехи.
:return: None
"""
# реальные коэффициенты
a = [1.68, 1.235, -0.319, 0.04, 0.027]
def obj(x1, x2, u1, u2, j):
"""Имитация объекта"""
val = a[0] + a[1] * x1 + a[2] * x2 + a[3] * u1 + a[4] * u2
if with_err:
return val + np.random.uniform(-0.1, 0.1)
# return val + np.random.uniform(-0.15, 0.15)
# return val + np.random.uniform(-0.2, 0.2)
# return val + np.random.uniform(-1, 1)
# return val + np.random.uniform(-1.5, 1.5)
# return val + np.random.uniform(-5, 5)
# return val + np.random.uniform(-0.5, 0.5)
# return val - 0.1
# return val - 0.3
# return val - 0.5
# return val + 5
# return val + 0.1*np.sin(2*np.pi*j/240*100)
else:
return val
def xt(j):
"""Уставка"""
if j <= 50:
return 80
elif 50 < j <= 80:
return 35
elif 80 < j <= 100:
return 25
elif 100 < j <= 125:
return 60
elif 125 < j <= 150:
return 70
elif 150 < j <= 175:
return 20
elif 175 < j <= 200:
return 90
else:
return 65
# Создание модели и идентификатора
expr = "a0+a1*x(t-1)+a2*x(t-2)+a3*u(t-6)+a4*u(t-7)"
m = model.create_model(expr)
idn = identifier.Identifier(m)
print('Модель:', m.sp_expr)
if m.get_index_fm() is not None:
print(f'Индекс свободного члена: {m.get_index_fm()}')
else:
print('Нет свободного члена')
# Инициализация начальных значений
if use_lsm:
# Для адаптивного алгоритма МНК необходимы "исторические" данные работы объекта.
# Инициализация управления нулями (при выключенном объекте)
# приведет к неработоспособности алгоритма.
init_x = [[20, 20, 20.4, 20.764, 21.246, 21.528]]
init_u = [[10., 0., 10., 0., 10., 0., 0., 0., 0., 0., 0.]]
method = 'lsm'
else:
# Простейший адаптивный алгоритм не чувствителен к начальным данным.
init_x = np.full((1, 7), 20.) # 6
init_u = np.zeros((1, 12)) # 11
method = 'smp'
idn.init_data(a=np.ones((5, 5)),
x=init_x,
u=init_u,
type_memory='min',
memory_size=6) # 5 6
algorithm = alg_old.Adaptive(idn, m=method)
# Создание регулятора и синтез закона управления
r = Regulator(m)
r.set_limit(0, 100)
r.synthesis()
print('Закон управления:', r.expr)
print('Аргументы:', r.expr_args)
n = 240 # количество рабочих тактов
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
a_ar = np.zeros((n, len(a)))
xt_ar = np.zeros((n, ))
a_er = np.zeros((n, len(a))) # массив для сохранения ошибки идентификации
for i in range(n):
x = [
obj(*idn.model.get_var_values(t='x')[0],
*idn.model.get_var_values(t='u')[0], i)
]
# Идентификация коэффициентов
# Используется глубокая подстройка на основе приращений (deep_tuning=True),
# а также адаптивный вес при подстройке свободного коэффициента (aw=True)
if use_lsm:
# Использование модели в приращениях uinc=True и
# адаптивного веса при подстройке свободного коэффициента adaptive_weight=False
new_a = algorithm.update(x,
w=0.01,
init_weight=0.01,
uinc=True,
adaptive_weight=False)
else:
# Использование глубокой подстройки (с использованием модели в приращениях) deep_tuning=True,
# адаптивного веса aw=True,
# использование памяти use_memory=True
new_a = algorithm.update(x,
gamma=1,
gt='a',
weight=0.9,
h=0.1,
deep_tuning=True,
aw=False,
use_memory=True)
# new_a = idn.avr(new_a, avr_type='efi', l=0.98)
# new_a = idn.avr(new_a, avr_type='std')
idn.update_a(new_a)
# Расчет управляющего воздействия ведется с учетом запаздывания в 5 тактов.
new_u = r.update(x, xt(i + 6))
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = x[0]
a_ar[i] = new_a
xt_ar[i] = xt(i)
a_er[i] = np.array(a) - new_a
idn.update_x(x)
idn.update_u(new_u)
print('Last coefficients:', idn.model.last_a)
t = np.array([i for i in range(n)])
# График движенияя объекта
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
# График процесса идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=3, ncols=1)
prop_cycle = plt.rcParams['axes.prop_cycle']
colors = prop_cycle.by_key()['color']
plot_coefficient(axs[0], t, a_ar[:, 0], a[0], '$t$', '$\\alpha_{0}$',
colors[0])
n_ax = 1
for i in range(1, 5, 2):
for k in range(2):
axs[n_ax].plot(t,
a_ar[:, i + k],
label=f'$\\alpha_{{{str(i+k)}}}$',
linestyle='-',
color=colors[k + 1])
axs[n_ax].plot(t, [a[i + k] for _ in range(n)],
linestyle='--',
color=colors[k + 1])
axs[n_ax].set_xlabel('$t$')
axs[n_ax].set_ylabel(
f'$\\alpha_{{{str(i)}}},\\alpha_{{{str(i + 1)}}}$',
rotation='horizontal',
ha='right')
axs[n_ax].grid(True)
l = axs[n_ax].legend(labelspacing=0, borderpad=0.3)
l.set_draggable(True)
n_ax += 1
# График ошибки идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=1, ncols=1)
if a_er is not None:
for i in range(len(a_er[0])):
axs.plot(t,
a_er[:, i],
label=f'$e_{{\\alpha_{i}}}$',
linestyle='-',
color=colors[i])
axs.set_xlabel('$t$')
axs.grid(True)
axs.legend()
plt.show()
def example_2(with_err=False):
"""
Пример использования библиотеки CotPy для синтеза
закона адаптивного управления.
Для идентификации используется стандартный алгоритм метода наименьших квадратов.
Модель простая с небольшой инерцией.
:param with_err: если True добавляется аддитивная равномерно распределенная помеха
амплитудой 0.4 к измерению выхода объекта
:return: None
"""
a = [-10, 0.3, 0.1, 3]
def obj(x1, x2, u):
"""Функция имитации объекта."""
val = a[0] + a[1] * x1 + a[2] * x2 + a[3] * u
if with_err:
return val + np.random.uniform(-0.2, 0.2)
else:
return val
def xt(j):
"""Функция генерации уставки."""
if j < 10:
return 10
elif 10 <= j < 15:
return 100
elif 15 <= j <= 20:
return 250
else:
return 50
expr = "a0+a1*x(t-1)+a2*x(t-2)+a3*u(t-1)"
m = model.create_model(expr)
idn = identifier.Identifier(m)
# значения коэффициентов 'a' выставляем равными 1 (можно не
# передавать вовсе, тогда по умолчанию инициализируется единицами)
# либо другими предполагаемыми значениями.
idn.init_data(x=[[0, 0, -10, -10, -11]], u=[[0, 1, 1, 1]])
lsm = alg_old.Adaptive(idn, m='lsm')
r = Regulator(m)
r.set_limit(0, 255)
r.synthesis()
n = 30
u_ar = np.zeros((n, ))
o_ar = np.zeros((n, ))
a_ar = np.zeros((n, len(a)))
xt_ar = np.zeros((n, ))
for i in range(n):
x = [
obj(*idn.model.get_var_values(t='x')[0],
*idn.model.get_var_values(t='u')[0])
]
new_a = lsm.update(x, w=0.01, init_weight=0.01)
idn.update_a(new_a)
new_u = r.update(x, xt(i + 1))
u_ar[i] = new_u[0]
o_ar[i] = x[0]
a_ar[i] = new_a
xt_ar[i] = xt(i)
idn.update_x(x)
idn.update_u(new_u)
print('Last coefficients:', idn.model.last_a)
t = np.array([i for i in range(n)])
draw_object_movement(t, o_ar, xt_ar, u_ar)
# График процесса идентификации
fig, axs = plt.subplots(nrows=3, ncols=1)
prop_cycle = plt.rcParams['axes.prop_cycle']
colors = prop_cycle.by_key()['color']
plot_coefficient(axs[0], t, a_ar[:, 0], a[0], '$t$', '$\\alpha_{0}$',
colors[0])
for i in range(1, 3):
axs[1].plot(t,
a_ar[:, i],
label=f'$\\alpha_{{{str(i)}}}$',
linestyle='-',
color=colors[i])
axs[1].plot(t, [a[i] for _ in range(n)],
linestyle='--',
color=colors[i])
axs[1].set_xlabel('$t$')
axs[1].set_ylabel('$\\alpha_{1},\\alpha_{2}$',
rotation='horizontal',
ha='right')
axs[1].grid(True)
l = axs[1].legend(labelspacing=0, borderpad=0.3)
l.set_draggable(True)
plot_coefficient(axs[2], t, a_ar[:, 3], a[3], '$t$', '$\\alpha_{3}$',
colors[1])
plt.show()