Embed Size (px)
Citation preview
143
RA
ČU
NA
RS
TV
O I IN
FO
RM
AT
IKA
Rad primljen: 10.01.2010.
UDK: 519.87
MODELIRANJE SISTEMA
SYSTEMS MODELING
Ivana Kostić Kovačević
Rezime: Modeliranje je postupak dobijanja matematičkog opisa neke pojave koja se odvija u realnom
svetu. Primena modeliranja nije ograničena, te se ono koristi u različitim oblastima, kao što su tehnika,
ekonomija, prirodne i društvene nauke. jedne strane, ovaj opis mora biti relativno jednostavan, a sa
druge strane i dovoljno tačan, da bi odgovorio nameni koju je definisao kreator modela.
Ključne reči: modeliranje, sistem, estimacija, simulacija.
Abstract: Modeling is the art of creating mathematical descriptions of phenomena which appear in
reality. These descriptions have to be relatively simple, jet accurate enought to serve the purpose of the
modeling. In this paper we deal with some tools to assist in deriving appropriate models, among wich the
use of deducation, indication and of bond graphs. Still, modeling is more on art than a technique.
Key word: Modeling, system, estimation, simulation.
1. DEFINICIJA I OSNOVNI ZADACI MODELIRANJA
SISTEMA
Zadatak modeliranja je da osvetli glavne osobine i fenomene realnog pro-cesa i da ih prevede na neki apstraktan jezik, kao što je jezik matematike [1-3]. Na taj način, modeliranje predstavlja integralan deo nauke i tehnologije, koji obuhvata skoro sve oblasti ljudskog delo-vanja. Počevši od filozofije i teologije, pa preko sociologije, psihologije, ekologije i ekonomije, doseže konačno i do same tehnike (građevine, hemije, fizike, mašinstva, elektrotehnike, itd.).
Suština postupka modeliranja jeste u tome da se izaberu samo one osobine posmatranog procesa koje predstavljaju
potrebne i dovoljne karakteristike da se proces opiše dovoljno tačno sa stanovišta namene modela.
Postoji praktično neograničen broj modela koji opisuju različite aspekte jedne realne pojave. Svi ti različiti pogle-di na realnu pojavu rezultuju u različite modele, kao što je šematski prikazano na slici 1.
Pojam modeliranja je neraskidivo povezan sa pojmom procesa ili siste-ma. U navedenom kontekstu, sistem je skup stavki ili osobina koje predstavljaju zaokruženi deo nekog realnog fenome-na koji se proučava. Pri tome, sistem je subjektivan pojam sa ograničenjima koja uključuju one osobine koje su najvažnije sa stanovišta modelara, a isključuje osobine od manjeg značaja
144
RA
ČU
NA
RS
TVO
I I
NFO
RM
ATI
KA
za opis posmatranog realnog procesa. Na taj način, model predstavlja sredstvo za opisivanje najbitnijih karakteristika sistema koji se proučava. Uz navedeno, model mora posedovati prikaz objekata unutar sistema, tzv. komponenti siste-ma, kao i prikaz aktivnosti pod kojima će ti objekti međusobno delovati. Dakle, model reflektuje razumevanje realnog procesa, njegovih komponenti i njihove interakcije koje potiču od strane samog modelara.
Važnu stavku prilikom formiranja mo-dela predstavlja izbor ograničenja kojima je podvrgnut sistem. Ova ograničenja određuju koji će deo realnog procesa biti proglašen za sistem koji se proučava. De-lovi realnog procesa koji nisu pridruženi sistemu, kao izolovanom delu realnosti, nazivaju se okolinom sistema. Ukoliko su granice sistema suviše široke može se dogoditi da je takav model sistema praktično nemoguće analizirati, pošto su mnoge važne osobine prekrivene ne-važnim detaljima. S druge strane, ukoliko su izabrane granice sistema suviše uske, sve relevantne karakteristike realnog pro-cesa neće biti obuhvaćene njegovim mo-delom, što će rezultovati u neadekvatnu analizu sistema na bazi takvog modela.
Zahtevana tačnost prilikom modelira-nja povezana je i sa namenom modela. Generalno, postoje dva načina primene modela sistema. Prvi od njih sastoji se u izvođenju eksperimenta u otvorenoj povratnoj sprezi. Kod ovakvog pristupa model se koristi za predviđanje budućih vrednosti relevantnih promenljivih u si-stemu. Na primer, model se može kori-stiti za izradu vremenske prognoze ili za predviđanje budućih vrednosti nekih ekonomskih pokazatelja, kao što su ne-zaposlenost, profitna stopa i sl. Zada-tak predikcije zahteva adekvatan opis odgovarajućih zakona kojima su pod-vrgnute relevantne promenljive u mo-delu, tako da male greške modeliranja mogu prouzrokovati velike greške u re-zultatu analize koja je izvršena na bazi takvog netačnog modela. Drugi pristup sastoji se u primeni modela u zatvore-noj povratnoj sprezi i ovakav pristup se obično koristi za projektovanje sistema upravljanja. Ukoliko je model deo siste-ma upravljanja u zatvorenoj povratnoj sprezi, takav sistem će redukovati dejst-vo poremećaja, koji dolazi iz spoljašnje sredine, kao i same greške modeliranja. Na taj način, manje tačan model može se koristiti u ovoj drugoj primeni. Drugim rečima, zahtevana tačnost modeliranja
Slika 1. Različiti pogledi na realnu pojavu rezultuju u njene različite modele
145
RA
ČU
NA
RS
TVO
I INFO
RM
ATIK
A
zavisi od načina primene samog modela, odnosno da li se koristi u eksperimentu u otvorenoj povratnoj sprezi ili u okviru povratne petlje kod sistema upravljanja [2].
2. PRISTUPI IZGRADNJI MODEL SISTEMA
Postoji više načina da se izgradi mo-del sistema, od kojih su najznačajniji sledeći pristupi [1,4].
� Deduktivni pristup (polazi od op-šteg ka posebnom).
� Induktivni pristup (polazi od po-sebnog ka opštem).
� Bond graf (dijagram veza kompo-nenti sistema).
Deduktivni pristup: Ovaj pristup pretpostavlja primenu opštih iskustava koja su stečena prilikom modeliranja različitih specifičnih procesa. Pristup koristi i prethodno znanje o razmatra-nom procesu, koje se zasniva na poz-navanju fizičkih zakona koji definišu matematičke relacije između relevantnih promenljivih u idealizovanom modelu procesa sa idealizovanim komponen-tama. Tipičan primer su idealizovane fizičke komponente kod kojih se telo odgovarajuće mase tretira kao tačkasto, uz zanemarivanje njegovih dimenzija, dok su protoci laminarni, koncentracije homogeno raspodeljene u rezervoaru, a mešavine idealne i sl. [2]. Fizički zakoni se obično izražavaju u obliku algebarskih i/ili diferencijalnih jednačina.
U opštem slučaju, algebarske relacije definišu ponašanje procesa u ustaljenom (ravnotežnom) stanju ili tzv. statičko ponašanje procesa. Statički modeli se
koriste da bi se odredila radna tačka ili ravnotežno stanje procesa, na osnovu kojih se dobija uvid u nominalne vred-nosti relevantnih promenljivih, kao što su, na primer, pritisak, protok, tempe-ratura ili profit. U industriji se statički modeli nazivaju flow sheets [2].
Dinamičko ponašanje procesa opisuje se diferencijalnim jednačinama [1,5]. Ove jednačine su zasnovane na osnov-nim fizičkim zakonima, kao što su zakon o održanju energije, mase, momenta i sl. Apriorno (prethodno) znanje može da se koristi i da se bliže odredi struktura modela sistema, pošto pored relacije koja povezuje ulazne i izlazne promenljive sis-tema i sama struktura modela predstavlja stavku od interesa. Na primer, ako je na osnovu prethodnog znanja ustanovljeno da sistem ima dve vremenske konstante, tada će to znanje biti iskorišćeno da se iz svih mogućih struktura modela dru-gog reda izabere ona kojoj odgovaraju dve realne vremenske konstante, odno-sno dva realna pola. Navedeni pristupi obično dovode do kvalitativnog modela, u kome postoji određeni broj parametara čije vrednosti nisu poznate. Ponekada je, međutim, moguće da se procene ade-kvatno i vrednosti parametara u ovak-vom modelu, obično koristeći prethodno znanje o fizičkim osobinama ili gabari-tima procesa.
Induktivni pristup: U opštem sluča-ju se ne raspolaže sa dovoljno apriornog znanja da bi se parametri u usvojenoj strukturi modela procenili adekvatno. U takvim situacijama koriste se tehnike parametarske identifikacije sistema, koje koriste merenja ulaza i izlaza sistema da bi estimirale (procenile) vrednosti para-metara u modelu [5]. Postupak identifi-
146
RA
ČU
NA
RS
TVO
I I
NFO
RM
ATI
KA kacije zasniva se i na nekim dodatnim
pretpostavkama, kao što su, na primer, klasa linearnih modela, selekcija ulazno/izlaznih varijabli, red modela i sl. Sam postupak pribavljanja informacija o sis-temu naziva se indukcija. U navedenom slučaju postavlja se prirodno i pitanje iz-bora kriterijuma za poređenje različitih modela u uslovima kada su merenja na procesu prisutna.
3. BELI, SIVI I CRNI MODELI
Ponekad je moguće da se model si-stema izvede samo na osnovu dedukti-vnog pristupa, koristeći odgovarajuće idealizovane fizičke zakone i procenjene vrednosti parametara, na bazi fizičkih gabarita razmatranog procesa . Takav model naziva se beli model ili na engle-skom jeziku white-box model. Primeri takvih modela su električna i elektronska kola, a osnovni fizički zakoni koji se ko-riste prilikom modeliranja su Kirhofovi zakoni. U nekim slučajevima ne postoji adekvatno apriorno znanje o realnom procesu, te model mora da se postavi na osnovu raspoložive merne informacije
o ulazu i izlazu sistema, ne posedujući adekvatnu informaciju o internoj stru-kturi i internim relacijama u sistemu. Tako izveden model naziva se crni model ili na engleskom jeziku black-box mo-del. Između ova dva granična slučaja nalazi se model u formi sive kutije ili na engleskom jeziku “gray-box” mo-del, koji je u sebe uključio svu moguću raspoloživu apriornu informaciju o realnom procesu, što je rezultovalo u primeni odgovarajućih idealizovanih zakona u kojima će se pojaviti određeni broj nepoznatih parametara. Pri tome, ovakva informacija zavisi uglavnom od polja primene modela i obično je veća u slučaju prirodno-tehničkih procesa, nego u slučaju društvenih procesa.
U opštem slučaju, izgradnja adekvat-nog kvantitativnog modela sastoji se iz nekoliko faza: modeliranja, parametars-ke identifikacije, simulacije i validacije modela. Koraci (faze) u izgradnji modela prikazani su na slici 3. [1,3]
U bilo kojoj fazi opisanog postupka moguće je da se vrati jedan ili više koraka unazad, ukoliko rezultat ne zadovoljava postavljene zahteve. Poslednji korak vali-
Slika 2. Tipovi modela u različitim oblastima: beli (white-box), sivi (gray-box) i crni (black-box) modeli
147
RA
ČU
NA
RS
TVO
I INFO
RM
ATIK
A
dacije modela vrši se isključivo na osno-vu realnih merenja na sistemu. Kao što je prikazano na slici 3, izgradnja kvan-titativnog modela zahteva i uvođenje uzročno-posledične relacije (osobine kauzalnosti). Naime, same matematičke relacije definišu međusobno uticaj neko-liko promenljivih u sistemu. Na primer, Omov zakon definiše vezu između napo-na i struje na otpornik i može se izraziti u obliku u=R, ili i=u/R. Obe relacije su sa matematičkog i fizičkog stanovišta iste, ali se razlikuju sa stanovišta uzroka i posledice, odnosno selekcije ulazne i izlazne promenljive. Prva relacija tvrdi da će struja i (ulaz) prouzrokovati na krajevima otpornika napon u (izlaz), dok druga relacija tvrdi da će napon u (ulaz) rezultovati u struji i (izlaz) kroz otpornik. Selekcija ulazno-izlaznih pro-menljivih naziva se postupkom uvođenja kauzalnosti (uzročno-posledičnih veza) u model. Kauzalnost nije fizički pojam i uvedena je veštačkim putem da bi se omogućila odgovarajuća istraživanja i izveo postupak simulacije. Gotovo svi simulacioni paketi rade sa kauzalnim modelima [3]. Kauzalni modeli koris-te obične diferencijalne jednačine (en-
gleski ordinary differential equations, ili skraćeno ODE ) kao matematičke re-lacije, dok akauzalni modeli, koji iska-zuju samo relacije između promenljivih bez uvođenja uzročno-posledičnih veza (odnosno proglašavanje ulazno-izlaznih promenljivih) koriste diferencijalno-al-gebarske jednačine (engleski Differential Algebraic Equations ili skraćeno DAE ). Neki noviji simulacioni programi koriste akauzalne modele.
Takođe, u cilju vizuelizacije veza koje postoje između promenljivih u modelu koristi se grafička reprezentacija modela. Postoji više ovakvih prikaza, od kojih su neki zavisni od samog realnog procesa i njegovih komponenti, dok su drugi opšti i imaju univerzalnu primenu. Na-vedeni pristupi, polazeći od posebnog ka univerzalnom, prikazani su na sledećoj šemi.
� Crteži (autorova impresija o siste-mu)
� Kola ( u vezi su sa specifičnom primenom i zahtevaju standardni prikaz komponenti sistema).
� Dijagrami: imaju opšti karakter i mogu biti dvojaki:
Slika 3. Interaktivni postupak za dobijanje adekvatnog modela sistema
148
RA
ČU
NA
RS
TVO
I I
NFO
RM
ATI
KA a. Konsekutivni (sa redosledom
izvođenja; primer su dijagram toka ili flow chart u programi-ranju ili PERT plan u organiza-cionim naukama).
b. Simultani (sa jednovremenim izvođenjem) koji mogu biti:
b1. kauzalni (primer su blok dijag-rami i bond grafovi),
b2. akauzalni (primer su bond grafovi).
Dijagrami nisu u vezi sa specifičnom aplikacijom i predstavljaju prilično ap-straktan način prikazivanja dinamike si-stema. Za prikaz tehničkih sistema koriste se simultani dijagrami, i to obično blok di-jagrami. Kod blok dijagrama jednovreme-no se uvode relacije između promenljivih i definišu uzročno-posledične veze između njih (osobine kauzalnosti). Za razliku od blok dijagrama, bond graf dozvoljava dvokoračnu proceduru, gde se u prvom koraku definišu samo veze između pro-menljivih, pa se tek u drugom koraku na-knadno uvode uzročno-posledične veze između promenljivih [4].
4. KLASIFIKACIJA MODELA SISTEMA
Generalno se razlikuju tri tipa mo-dela koji se mogu koristiti za opisivanje dinamičkog ponašanja realnog procesa:
1. Skalirani (proporcionalno umanje-ni) model: predstavlja proporcional-no umanjenu fizičku maketu realnog procesa, koja se koristi za ekonomično ispitivanje osobina realnog proce-sa (cena eksperimentisanja na ova-kvom modelu je značajno niža nego na realnom procesu). Ovakav model se koristi kada ne postoji dovoljno tačan matematički model, ili ukoliko izračunavanja u okviru postavljenog matematičkog modela traju neprih-vatljivo dugo. Primeri ovakvog mode-la su aerodinamički tuneli, rezervoari za ispitivanje vodenih tokova i sl.
2. Opisni (verbalni) model: koristi se kada su relacije koje opisuju pona-šanje sistema suviše kompleksne ili nedovoljno poznate da bi se prikazale u matematičkom obliku, i ako postoji
Slika 4. Tipovi matematičkih modela
149
RA
ČU
NA
RS
TVO
I INFO
RM
ATIK
A
izvesno znanje o kvalitativnim veza-ma između tih promenljivih. Ovakvi modeli se obično koriste u sociologiji i psihologiji.
3. Matematički model: dinamičko ponašanje sistema je u opštem slučaju opisano skupom nelinearnih diferen-cijalnih jednačina i oni su dominantni u tehnici [2].
Matematički modeli mogu se dalje podeliti u sledeće kategorije: 1) statički 2) dinamički, koji mogu biti kontinualni i diskretni.
Različiti tipovi matematičkog modela mogu da se kombinuju u okviru složenog modela realnog procesa, kao što je pri-kazano na slici 5 :
Pojam događaj stanja je u vezi su kontinualnim modelom i nastaje kada kontinualna promenljiva stanja pređu neki prag (na primer, kada struja i prođe kroz nulu ili kada pozicija x dostigne graničnu vrednost). Detekcija događaja stanja može aktivirati neki prekidač u kontinualnom modelu ili startovati (trigerovati) neki vremenski mehanizam (brojač) u diskretnom modelu. S druge strane, vremenski događaj se generiše na osnovu vremenskog procesa unu-tar modela sa diskretnim događajima, a može aktivirati prekidač ili proizvesti neku drugu aktivnost unutar kontinual-nog modela.
Statički matematički modeli opisuju nelinearnu algebarsku zavisnost između ulazne i izlazne promenljive, kao što je prikazano na slici 6, za skalarne promen-ljive.
Slika 6. Statički modeli
Ovakav model je linearan ukoliko postoji linearna zavisnost između ulaza u i izlaza y. Međutim, linearnost se može definisati i u odnosu na odgovarajuće pa-rametre (a, b) koji opisuju preslikavanje F(.) između ulaza i izlaza. Mogući tipovi statičkih modela prikazani su sledećom tabelom na slici 7.
Realni procesi su generalno neline-arni, tako da adekvatan model procesa obično sadrži nelinearnosti. S druge stra-ne, matematički aparat je dobro razrađen za linearne modele. Ovaj problem se može praktično razrešiti uvođenjem pojma radne tačke. Naime, nelinearan model u okolini izabrane radne tačke može se linearizovati, čime se dobija linearizovani model koji se dalje može koristiti za analizu i projektovanje pri-menom teorije linearnih matematičkih
Slika 5. Primer složenog modela u kome postoji interkonekcija između kontinualnog i diskretnog modela
150
RA
ČU
NA
RS
TVO
I I
NFO
RM
ATI
KA
sistema. Naravno, tako dobijeni rezul-tati će važiti samo u okolini razmatrane radne tačke, a svaka radna tačka imaće svoj linearizovani model, tako da se sa promenom radne tačke prelazi na njoj odgovarajući linearizovani model. Dakle, linearizovani model predstavlja model sistema za male signale (predstavljaju odstupanja od radne tačke) i može se koristiti za lokalnu analizu stabilnosti sistema oko date radne tačke [2].
Dinamički matematički modeli: Kao što je prikazano na slici 4, postoji više dinamičkih modela sistema koji opi-suju ponašanje sistema i u prelaznom režimu, a ne samo u ravnotežnom ili ustaljenom stanju kao što je to slučaj sa statičkim modelima. Prelazni režim na-stupa odmah nakon dovođenja pobude i traje sve do ulaska sistema u ravnotežno stanje.
Kontinualni modeli sa distribui-ranim parametrima: Fizički sistemi su kontinualni i opisuju se sa kontinualnim modelima sa distribuiranim ili koncentri-sanim parametrima. Model sa distribui-ranim parametrima prikazan je u formi parcijalne diferencijalne jednačine. Kod takvih modela i prostorne koordinate (pozicija) x i vreme t predstavljaju neza-visne promenljive u modelu. Primer ta-kvog sistema je transfer toplote kroz zid.
Na primer, za ( ) 0, =txF , odgovarajuća parcijalna diferencijalna jednačina je ( ) ( ) 0,, =+ txFxtxF tx � , odakle sledi
xFa
tF
∂∂
=∂∂
(1)
Ako se zavisnost od pozicije x za-nemari (model sa koncentrisanim para-metrima, pošto su sve aktivnosti svede-ne samo na jednu poziciju), navedena parcijalna diferencijalna jednačina svodi se na običnu diferencijalnu jednačinu. Ovakva aproksimacija odgovara kon-centrisanju različitih materijala u zidu u jedan homogen materijal sa idealnim karakteristikama (koncentrisana masa koja nema debljinu i predstavlja homo-genu površinu). Umesto jedne pozicije x, može se definisati i veći broj pozicija x
k, pri čemu se za svako x
k dobija model
sa koncentrisanim parametrima (opisan običnom diferencijalnom jednačinom) koji ne zavisi od pozicije. Ovakav postu-pak selekcije konačnog broja ćelija ili podmodela naziva se metod konačnih elemenata i koriste diferencijalno-alge-barske jednačine (engleski Finite Element Method ili skraćeno FEM). Svaka ćelija ima svoj sopstveni skup promenljivih i običnih diferencijalnih jednačina, tako da dimenzija modela raste linearno sa
Slika 7. Tipovi statičkih modela
( )y F u= ( ),y F a b= Primer
linearan linearan ( )y a b u= +
nelinearan linearan 3y au bu= +
linearan nelinearan /y au b=
nelinearan nelinearan ( )/ 1y au bu= +
151
RA
ČU
NA
RS
TVO
I INFO
RM
ATIK
A
brojem ćelija. Veći broj ćelija rezultuje u tačniji model, ali je vreme izvršavanja ovakvog modela značajno veće. Međutim, ovakvo uprošćenje je značajno, pošto je numeričko rešavanje parcijalnih difer-encijalnih jednačina kompleksno i vre-menski zahtevno.
Kontinualni model sa koncentri-sanim parametrima: Ovakav model opisan je sa običnim diferencijalnim jednačinama (ODE).
Obična diferencijalna jednačina je formulisana kao eksplicitna diferenci-jalna jednačina, kod koje je svaki izvod definisan sa desnom stranom jednačine, tj.,
( ) ( )( ),dx F x t u tdt
= ; ODE model (2)
Dakle, vrednost /dx dt može se za svako t izračunati eksplicitno. S dru-ge strane, diferencijalno-algebarska jednačina (DAE) je formulisana kao im-plicitna diferencijalna jednačina
( ) ( ) ( )( )1 , , 0F x t x t u t =� ; DAE model (3)
ili kao singularna diferencijalna jed-načina
( ) ( )( )2 ,dxE F x t u tdt
= (4)
gde je E singularna matrica (inver-zija
1−E ne postoji) tako da se poslednja relacija ne može napisati u formi ODE. Takođe, prisustvo algebarske jednačine između promenljivih za koje su defini-sani eksplicitno izvodi čini takvu jedna-činu implicitnom ili DAE modelom. Na primer,
( ) ( )( )( ) ( )( )
, , (5)
, , 0 (6)
dx F x t y t tdtG x t y t t
=
=
je DAE, pošto dy/dt nije definisano eksplicitno. Diferenciranjem algebarske jednačine dobija se
( ) ( )( )
( ) ( )( )( ) ( )( )
, ,
,
, , 0
x
y
t
dxG x t y t tdtdyG x t y t tdt
G x t y t t
+
+ +
+ = (7)
pa ukoliko Gy(.) nije singularna ma-
trica može se izvod dy/dt izraziti ekspli-citno i data jednačina se svodi na ODE, a za odgovarajući DAE se kaže da ima indeks 1. Ako je G
y(.) singularna matri-
ca, DAE jednačine treba da se preure-de i odgovarajuća algebarska jednačina ponovo diferencira. Broj primenjenih diferenciranja definiše indeks DAE. Za razliku od ODE (predstavlja DAE sa in-deksom 0), koje se relativno lako rešavaju numerički, DAE jednačine unose doda-tne numeričke probleme.
Kontinualni modeli sa događajima stanja: To su modeli koji mogu generisa-ti neku diskretnu akciju u trenutku kada neka kontinualna promenljiva stanja pređe neki definisani prag. Na primer, ako se u sistemu za grejanje kao grejno telo (izvršni organ) koristi gasni ventil koji ima samo dva položaja (otvoreno i zatvoreno), takva regulacija se naziva on-off regulacija i ako se ventil uključuje kada sobna temperatura padne ispod ne-kog nivoa, a isključuje kada sobna tempe-ratura pređe neki drugi prag, takva on-off
152
RA
ČU
NA
RS
TVO
I I
NFO
RM
ATI
KA regulacija je u potpunosti određena sa
vrednošću sobne temperature koja se meri termostatom. Trenutak uključenja gasnog ventila (njegovog prelaska iz je-dnog u drugo stanje) nije sinhronisan ni sa jednim drugim procesom.
Drugi primer su energetski kon-vertori, koji konvertuju veliku količinu energije iz nekog izvora, sa minimalnim gubicima, na električni motor. Mali gu-bici se postižu korišćenjem prekidač-kih kola (elektronskih prekidača), kao što su tiristori i tranzistori snage. Ove poluprovodničke komponente se mogu kontrolisati i računar (mikroprocesor) može izračunati u kojim vremenskim trenucima tiristor treba da se aktivira (upali). Ove tačke u vremenu zavise od vrednosti odgovarajućih napona i struja i tiristor se gasi (zakoči) kada struja ili napon padnu ispod određene vredno-sti. Položaj ovih tačaka na vremenskoj osi zavisi od stvarnih vrednosti signala u modelu. S druge strane, diferencijalne jednačine sa konstantnim parametri-ma, koje opisuju kontinualni model sa koncentrisanim parametrima, obično se rešavaju numerički i rešenje se do-bija u određenom broju ekvidistantnih diskretnih vremenskih trenutaka, čije se rastojanje naziva integracioni interval. Problem može nastati ukoliko se preki-dački trenuci u modelu ne poklapaju sa trenucima u kojima se vrši numerička integracija. Ukoliko je period prekidanja u modelu znatno veći od integracionog intervala, učiniće se male greške ukoliko se trenuci aktiviranja prekidačke logike izjednače sa odgovarajućim trenucima integracije, odnosno, ukoliko se trenu-ci prekidanja podese prema trenucima numeričke integracije. Ukoliko to nije
slučaj, neophodno je da se trenuci inte-gracije podese prema trenucima aktivira-nja prekidačke logike. Prvi tip simulacije vrši se automatski, ali postojeći simula-cioni paketi ne vode računa o drugom tipu sinhronizacije i potrebno je učiniti dodatan napor kako bi se ove sinhroni-zacije obezbedile [3].
Modeli diskretnih događaja: To su diskretni modeli koji nemaju fiksan pe-riod ponavljanja, tj. imaju aperiodično odabiranje, a sve promenljive zadržavaju svoje vrednosti između dva događaja. U trenutku pojave diskretnog događaja promenljive mogu menjati svoje vredno-sti. Događaj može biti prouzrokovan ne-kim spoljašnjim događajem, na primer, događajem stanja, ili izazvan na osno-vu neke vremenske tabele koja se javlja kao rezultat internih aktivnosti. Primeri ovakvih modela su redovi čekanja (po-ruke na serveru, vozila na rampi, ljudi na šalterima, itd.). U ovakvim modeli-ma promenljive predstavljaju vremenske procese, kao što je na primer, trenutak dospeća u red, a stanje promenljive označava vremenski trenutak u kome promenljiva postaje aktivna, a ne pred-stavlja fizičku veličinu, što je slučaj kod događaja stanja.
Modeli sa semplovanim podacima: Najrasprostranjeniji diskretni modeli koji se primenjuju kada se računar koristi kao sredstvo za kontrolu procesa. Računar odabira (sempluje) podatke upotrebom A/D konvertora, a kontroliše proces na bazi upotrebe D/A konvertora. Semplo-vanje podataka se vrši sa fiksnom perio-dom odabiranja (semplovanja). Ovakav tip modela opisan je diferencnom jedna-činom, koja se lako rešava upotrebom odgovarajućeg programskog jezika i ra-
153
RA
ČU
NA
RS
TVO
I INFO
RM
ATIK
A
čunara. Tipičan oblik diferencne jedna-čine koja povezuje izlazni diskretni niz
( ){ }y i i ulazni diskretni niz ( ){ }u i je
( ) ( )0 1
n m
i ii ia y i bu i
= =
=∑ ∑ (8)
gde su , 0, , ; , 1, ,i ia i n b i m= =� �
koeficijenti ili parametri, koji obično ne-
maju fizičko tumačenje.
Ovakvi modeli su široko raspros-tranjeni u prirodno-tehničkim nau-kama ali i u društvenim naukama, pre svega ekonometriji. Takođe, sami kon-tinualni modeli kada se primenjuju na računarskoj mašini, prevode se na odgovarajuću diskretnu formu i rešavaju kao vremenski diskretni modeli, odnosno odgovarajuće diferencne jednačine. Ovi modeli predstavljaju i osnovnu strukturu koja se koristi u zadacima parametar-ske identifikacije i sintezi kvantitativnih modela procesa tipa crne kutije. Zadat-ak parametarske identifikacije sastoji se u određivanju nepoznatih vrednosti parametara u (8) na optimalan način, u određenom smislu, a na bazi raspoloživih merenja ulazno-izlaznih diskretnih sig-nala [5].
5. ZAKLJUČAK
Reprezentacije modela sistema ra-zličite fizičke prirode predstavljaju izu-zetno važan alat u nauci i tehnologiji.
Ovako dobijeni modeli našli su široku primenu u raznorodnim zadacima analize tehnoloških procesa, njihove simulacije, kao i projektovanja sistema za obradu i prenos signala i upravljanje tehnološkim i industrijskim procesima. Modeli navedenog tipa popularni su i u računarskim telekomunikacijama, za prikazivanje redova čekanja poruka i podataka, kao i u ekonomiji u oblasti ekonometrije i finansijske matematike.
Literatura
[1] Bosch P. P. J. van den, A. C. van der Klauw,
Modeling, Identification and Simulation of
Dynamical Systems, CRC Press, 1994.
[2] Svobodny T., Mathematical Modeling for Indus-
try and Engineers, Prentice Hall, 2004.
[3] Kheir, M. A., Systems Modeling and Computer
Simulation, Marcell Dekker, 1988.
[4] Thoma, J. U., Introduction to Bond Graphs and
Their Applications, Pergamon Press, 1975.
[5] Verhaegen M., and Verdult V., Filtering and Sys-
tems Identification, a Least Squares Approach,
Cambridge University Press, 2007.
Autor
Doc. dr Ivana Kostić Kovačević
Univerzitet Singidunum,
Danijelova 32, Beograd,
e-mail:
Oblasti istraživanja:
matematika,
diskretna i primenjena
matematika.
