曲线拟合的定义
曲线拟合是将一个数学表达式(即一条曲线)应用于原始数据的过程,用以表征其内在趋势,从而使数据可用于分析与计算。
MATLAB · YouTube · 8:49
本导论部分将曲线拟合定义为一种通过施加数学趋势来处理原始数据的方法,从而使数据可用于工程分析。它强调了预处理等技术,以应对噪声和异常值。视频概述了其议程,涵盖交互式拟合、非线性回归、优化以及与Simulink的集成。最后,以风力涡轮机数据为例,解释其物理发电机制,以及由此产生的风速与功率输出之间的S形关系。 本150秒片段通过MATLAB中的风力涡轮机实例介绍曲线拟合。内容始于涡轮机输出在高风速下趋于饱和这一现象,随后引入包含多个环境因素的表格数据集。主讲人剔除异常记录,使用Curve Fitter应用绘制风速与功率输出的关系图,并因散点图呈现S形趋势而选择S形模型。在获得良好初始拟合后,视频将讨论拓展至多个风力因素——风向、空气密度、湍流和风切变,并展示一种非线性模型:该模型保留风速的S形依赖关系,同时假设其余因素呈线性影响。片段最后以Plot Slice对比图收尾,表明在此拟合示例中风速的影响最大。 本视频片段演示了 MATLAB 中用于建模风力发电机功率输出的高级曲线拟合技术。首先,利用 p 值识别并剔除统计上不显著的预测变量(如风切变);随后,借助优化工具箱将曲线拟合问题转化为带约束的优化问题,使用户能够对模型系数施加物理意义上的边界限制;最后,通过 R² 和均方根误差(RMSE)等指标,对比该优化方法与标准拟合的结果,发现二者高度一致,并简要介绍了如何将这些模型集成到 Simulink 仿真中。 本段时长为79秒,是 MATLAB 曲线拟合教程的收尾片段,展示了如何将先前拟合的风速–功率输出模型转化为 Simulink 查找表。片段起始于一个 Simulink 子系统,其中两个1维查找表均以 windSpeed 为输入:上方查找表用于 MPPT 角速度关系,下方查找表用于功率输出。随后画面切换至曲线拟合器(Curve Fitter),展示功率输出关于风速的 S 形逻辑斯谛拟合 ,同时显示拟合系数及统计量,如 R 方值0.98867和均方根误差3.4684。主讲人将该拟合结果导出为 Simulink 查找表,用名为 curveblock 的新模块替代原手动设置的下方查找表,并指出该子系统现已基于最新实验数据完成校准。片段以回顾幻灯片收尾,概括完整工作流程:对数据进行曲线拟合、非线性回归、带约束的优化,以及集成至 Simulink。
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依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
视频开篇指出,现代技术正源源不断地生成大量数据。它提出了核心问题:如何将杂乱无章、彼此孤立的数据点,转化为一个连贯且可复用的模型。这为引出曲线拟合作为解决方案做好了铺垫。
主讲人指出,原始数据对于试图开展计算或得出结论的工程师而言,往往难以直接使用。要使数据真正可用,就必须对其进行处理。曲线拟合即指这一处理步骤——通过将一个数学表达式拟合到数据上,以表征其内在趋势。
为确保所拟合的曲线对异常值和噪声具有鲁棒性,提到了预处理与数据清洗等技术。这些步骤有助于优化模型,使其在分析中更为可靠。
曲线拟合被呈现为一种挖掘数据内在‘故事’的工具。通过滤除单个噪声点、聚焦于整体趋势,工程师能更清晰地理解各类因素与参数的影响,这对解读大规模数据集至关重要。
视频后续内容的议程已明确列出:将在MATLAB中进行交互式曲线拟合;将模型拓展至非线性回归以支持统计分析;通过约束系数边界对模型进行优化;最后将该曲线拟合结果集成至Simulink模型中。
通过风力涡轮机数据引入一个实际应用案例。其物理机制描述如下:风推动涡轮叶片旋转,进而带动发电机发电。这一系列事件导致了一种特定的数学关系。
风速与功率输出之间的关系被识别为S形(sigmoidal)。这是因为必须达到某一最低风速才能启动叶片旋转并开始发电,因此在绘图时呈现出S形曲线。一段动画直观地强化了这一概念。
片段以一个简单的物理动因开场:当风速升高到足够程度时,涡轮发电机将达到其最大电功率输出。这引出了输入-输出关系不会永远呈直线,而是会弯曲并趋于饱和的预期。
主讲人随后提出核心建模问题:给定包含异常值的风速与功率输出原始观测数据,我们如何恢复出一个平滑的函数描述?给出的答案是曲线拟合,这也成为本段内容的组织主线。
引入了一个表格形式的数据集。可见列包括多个与风相关的变量以及一个功率列,由此确立功率输出为响应变量,而若干环境因素则为候选预测变量。在首次演示中,风速被单独提取作为主要解释变量。
拟合之前,工作流程会先进行预处理。旁白指出,异常事件已从性能日志中被识别并移除。这明确表明,建模流程始于数据清洗,而非直接进行参数估计。
打开 MATLAB 曲线拟合器(Curve Fitter)应用程序。用户选择风速作为 x 变量、功率输出作为 y 变量,生成散点图。该界面可在同一位置同时实现可视化与模型估计,这也是本次演示的实用要点。
观察散点图后,主讲人选择 S 形(sigmoidal)拟合,因为数据在低风速段上升缓慢,在中段变得陡峭,而在高风速段再次趋于平缓。拟合得到的 S 形曲线被叠加在散点之上,拟合优度统计量则显示在侧边面板中。
旁白指出,可通过剔除特定离群点或调整高级选项进一步提升拟合效果;但本例中将当前结果视为已足够准确。这区分了初始成功的拟合与后续可选的精细化调整。
讨论随后从单一预测变量扩展至多个预测变量。一张幻灯片列出了风向、空气密度、湍流强度和风切变,再加上风速——这表明下一个模型将尝试刻画多个变量的联合效应,而非仅描述单一的双变量关系。
屏幕上写出一个非线性模型。其结构保留了对风速的 S 形依赖关系,由参数 b1、b2 和 b3 表示;同时通过 b4 至 b7 为其余因子添加线性项。代码还展示了 MATLAB 的非线性拟合调用,使探索性曲线拟合到正式回归的过渡变得清晰明确。
最后,‘绘图切片’(Plot Slice)窗口为每个预测变量显示一个面板。其中风速面板呈现陡峭且明显的 S 形,而其他面板则几乎呈水平状。主讲人将此解读为:在本例所拟合的模型中,风速主导了功率输出的预测,其余因子的贡献则小得多。
在分析拟合曲线时,必须检验每个预测变量的统计显著性。在所显示的表格中,“风切变”预测变量对应的曲线近乎水平,其 p 值为0.32。由于0.32远高于标准显著性阈值0.05,我们得出结论:风切变在此模型中对功率输出无显著影响,可安全剔除,从而简化方程。
在建立包含显著因子的基准模型后,下一步是通过融入物理实际来优化该模型。纯数学拟合可能预测出不可能的数值,例如负功率或无穷大输出。为避免此类情况,我们引入边界与约束,确保模型准确反映风力发电机的实际运行限制。
MATLAB 的优化工具箱允许我们将曲线拟合作为一个正式的优化问题来处理。借助‘优化’实时任务,我们将模型系数(x1至x6)定义为优化变量;依据此前的统计拟合结果设定各系数的初始猜测值,并分别为每个系数指定下界与上界,以约束求解器仅在物理意义合理的区域内搜索解。
本次优化的核心是目标函数,我们将其定义为实际风机数据与模型预测值之间误差的平方和。通过选择‘lsqnonlin’求解器,MATLAB 将迭代调整这些有界系数,以最小化该误差,从而实现带约束的曲线拟合。
优化完成后,我们得到两个模型:原始的统计拟合模型与新的带约束优化拟合模型。我们使用汇总表格中列出的标准指标——R²、校正 R²、均方根误差(RMSE)及误差平方和(SSE)——对二者进行比较。各项指标值几乎完全相同(例如,两者的 R² 均为0.98962),这表明:加入物理约束并未降低模型精度,反而提升了其鲁棒性。
在手头拥有一个经过验证且受约束的数学模型后,我们便可以超越简单的可视化。这些模型可作为未来数据的可靠预测器。此外,它们还能集成到复杂系统仿真中,例如图中所示的 Simulink 风力涡轮机模型,其中拟合得到的方程用于校准特定子系统,如最大功率点跟踪(MPPT)控制器。
视频片段开始展示一个Simulink模型,其唯一输入为windSpeed。该输入分为两个分支,每个分支均实现为一个1维查表。上分支标注为mpptOmega,输出至wReference;解说员指出这是MPPT角速度关系。下分支标注为mpptActivePowerDemand,经过一个标有“MW to W”的增益模块,最终输出至activePowerDemand;解说员说明该第二张查表表示风速与功率输出之间的关系。
画面切换至曲线拟合器(Curve Fitter)应用,其中显示了前述经验模型:以windSpeed为横轴、powerOutput为纵轴的散点图,并叠加一条蓝色拟合曲线。模型类型为Sigmoid型,所显示的方程为。结果面板列出了拟合系数、和,以及置信区间和拟合优度指标,包括、、、调整后的以及。
为在仿真中复用该拟合关系,演示者打开“导出”菜单并选择“创建Simulink查表模块”。一个标题为“创建查表模块”的对话框短暂出现,提示断点在此处指定。随后视频切回Simulink界面,原下分支查表模块已被一个名为curveblock的新模块替代,其图标呈现S形曲线。解说员解释道:这构成一个子系统,其查表模块已根据最新实验数据完成校准。
结束幻灯片将整个教程总结为四阶段流程:对数据拟合曲线、非线性回归、带约束的优化、以及集成至Simulink。右侧先显示一组散落的彩色点作为原始数据,再由一条平滑的蓝色曲线将其连接,直观呈现了从观测数据到拟合模型、最终到Simulink实现的演进过程。
演示者随后面对镜头发表结束语,视频以“感谢观看”卡片及MathWorks品牌标识收尾,并引导观众查阅相关工具箱文档,而非引入新的数学内容。
曲线拟合是将一个数学表达式(即一条曲线)应用于原始数据的过程,用以表征其内在趋势,从而使数据可用于分析与计算。
原始数据对工程师而言往往难以直接使用。通过曲线拟合等方法对其进行处理,可将其转化为统一、连贯的模型,从而支持有意义的计算与结论推导。
为提升曲线拟合对异常值和噪声的鲁棒性,可在拟合前或拟合过程中应用数据预处理与清洗等技术。
曲线拟合有助于透过单个噪声点揭示数据的整体规律,使工程师能够理解不同因素与参数所产生的影响。
本视频涵盖交互式曲线拟合、用于统计显著性分析的非线性回归、带约束系数的优化,以及与Simulink模型的集成。
风力涡轮机将风的动能转化为电能。风吹动叶片旋转,从而带动发电机发电。
风力涡轮机中风速与输出功率之间的关系被建模为S形(sigmoidal)曲线,因为必须达到最低风速才能开始发电。
视频将曲线拟合介绍为一种方法:它能将原始的风速/功率输出数据(含离群点)转化为一条平滑的函数关系。本例中目标形状为 S 形曲线。
视频片段中展示的电子表格包含 wind_speed、wind_direction、air_density、turbulence_intensity、wind_shear、power 和 outlier 等列。其中 power 被视为响应变量,其余各列则为候选预测变量。
旁白明确指出,从性能日志中识别出的异常事件会在曲线拟合前被移除。这确立了数据清洗作为建模工作流程中的一项前置步骤。
演示使用曲线拟合器应用程序选择 X 和 Y 变量、显示散点图、选定拟合类型,并在同一界面中获得拟合曲线及汇总统计信息。
由于数据在低风速段缓慢上升,在中段陡峭增强,在高风速段趋于平缓,主讲人因此选用了 S 形曲线。拟合结果在视觉上与观测到的饱和行为相吻合。
在获得良好的 S 形拟合后,主讲人指出,还可根据问题需求,通过剔除特定离群点或调整高级拟合设置,实现进一步优化。
该扩展模型保留了风速的 S 形依赖关系,并为简化起见,假设风向、空气密度、湍流和风切变对输出呈线性贡献。这一点在屏幕上的 MATLAB 代码中有所体现。
切片图窗口为每个因子显示一个面板:曲线越陡峭,表示该因子对预测输出的影响越强;曲线越接近水平,则表示其在拟合模型中的影响越弱。
主讲人从“绘图切片”显示中得出结论:风速对预测功率输出影响很大,而该数据集和模型中列出的其他因素影响则非常小。
在回归分析与曲线拟合中,p 值大于0.05通常表明该预测变量在统计上不显著。移除此类变量可在不损失解释能力的前提下简化模型。
曲线拟合可表述为一个最小化问题,其目标函数为误差平方和(SSE)。通过对模型系数施加下界与上界,可强制拟合结果满足物理约束。
为比较不同拟合方法,可使用决定系数 R²(拟合优度)、调整后的决定系数(对复杂度施加惩罚)、均方根误差 RMSE(平均误差大小)以及误差平方和 SSE(总误差)进行评估。各项指标数值相近,表明性能相当。
片段起始时,Simulink模型仅有一个输入windSpeed,分别馈入两个1维查表。上分支在解说中被标识为MPPT角速度关系,输出至wReference。下分支被标识为风速与功率输出关系;其标注为mpptActivePowerDemand,经一个标有“MW to W”的增益模块后,终止于activePowerDemand。由此明确了模型中将被更新的部分。
曲线拟合器应用展示了对windSpeed–powerOutput散点图拟合的Sigmoid型模型。所显示的方程为,拟合系数为、和。面板还报告了诸如和等拟合质量指标,表明该模型与所绘数据高度吻合。
所演示的方法是:在曲线拟合器中重新打开已拟合模型,选择“导出→创建Simulink查表模块”,然后将生成的模块插入Simulink模型中。在更新后的框图中,原手动设置的下分支查表模块已被一个名为curveblock的模块替代,其图标呈S形,表明该拟合曲线已转换为适用于仿真的查表实现。
曲线模块(curveblock)置入下支路后,讲解员指出子系统与查表模块已根据最新的实验数据完成校准。上支路mpptOmega保持不变,而下支路现在将导出的拟合关系依次送入MW到W增益模块,再送入有功功率需求(activePowerDemand)模块。
结束页幻灯片将整体工作流程概括为四个步骤:对数据拟合曲线、非线性回归、带约束的优化、以及集成至Simulink。配套动画将散落的彩色点逐步转化为一条平滑的蓝色曲线,直观呈现了从原始测量数据到拟合模型、再到Simulink就绪表示的演进路径。
按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。
主讲人说:“首先,我们选择所需的数据,横轴为风速,纵轴为功率输出。”
在曲线拟合器对话框中,X 数据设为 windSpeed。
x
拟合曲线中的自变量,此处为风速。
图中坐标轴上显示的风速数值
主讲人说:“横轴为风速,纵轴为功率输出。”
在曲线拟合器对话框中,Y 数据设为 powerOutput。
y
拟合曲线中的因变量,此处为功率输出。
图中坐标轴上显示的功率输出数值
代码叠加层显示参数 b1-b7 和预测变量 x。
主讲人称,可借助统计与机器学习工具箱创建非线性模型。
视频片段中未说明除风速对应系数 b1-b3 及其他因素对应系数 b4-b7 之外,其余各系数的确切物理含义。
b1-b7
非线性模型的参数;其中 b1-b3 表示风速对应的系数,b4-b7 表示其他因素的线性关系系数。
模型系数
代码覆盖层包含“& 预测变量 'x'”并使用 x(:,1)、x(:,2)、x(:,3)、x(:,4)、x(:,5)。
该片段未明确将每一列 x(:,1) 至 x(:,5) 映射到可见代码中具名的因子。
x
传入非线性模型函数的预测变量。
预测变量矩阵或表格
代码覆盖层定义 modelFun = @(b,x) ...,其中包含 ./((-b(2)*(x(:,1)-b(3)))) + ...
非线性模型函数,根据参数和预测变量返回预测的功率输出。
模型评估函数
代码覆盖层显示 fitnlm(X, y, modelFun, initialParams)。
本片段中未显示 X、y 和 initialParams 的具体内容。
fitnlm(X, y, modelFun, initialParams)
用于将非线性模型拟合至预测变量矩阵 X 和响应变量 y 的 MATLAB 调用。
非线性模型拟合命令
表格显示“Wind Shear”预测变量对应的表头为“p值”,其值为0.32。
p-value
一种用于判断模型中预测变量是否具有统计显著性的度量。
对应的式子为:(0, 1]
对比表格中列标题为“R平方”,两种方法的对应值均为0.98962。
R_squared
决定系数,表示因变量的变异中可由自变量预测的比例。
对应的式子为:[0, 1]
对比表格中列标题为“均方根误差(RMSE)”,对应值分别为3.358和3.3579。
RMSE
均方根误差,是衡量模型对定量数据进行预测时误差大小的一种标准方法。
0到正无穷的闭开区间
对比表格中列标题为“误差平方和(SSE)”,对应值分别为和。
SSE
误差平方和,即模型预测值与对应观测值之间偏差的平方之和。
0到正无穷的闭开区间
Simulink 模型显示一个标有 windSpeed 的输入端口,向两个1-D 查表模块提供输入。
讲解员指出,第二个查表模块表示风速与功率输出之间的关系。
windSpeed
Simulink 模型中代表风速的输入变量。
输入至查表模块的标量;本片段未说明其单位。
上方查表模块标为 mpptOmega,并向 wReference 输出。
讲解员将第一个查表模块识别为展示 MPPT omega 关系的模块。
mpptOmega
与 MPPT omega 关系对应的查表输出。
第一个1-D 查表模块的输出;本片段未显示其确切物理单位。
主讲人将曲线拟合定义为:通过对原始数据“拟合一条曲线”,即用一个最能代表该数据的数学表达式来拟合,从而对数据进行处理。
出现一幅彩色散点图,一条蓝色曲线穿过这些点,用以示意将数学表达式拟合到数据点上。
曲线拟合是通过对原始数据拟合一个最能代表该数据的数学表达式,从而为其施加趋势的过程。
主讲人指出,原始形态的数据对于试图进行计算或得出结论的工程师而言,大多并无实际帮助,必须经过处理才能真正投入使用。
原始数据必须经过处理,才能用于计算或得出结论。
主讲人提到,应用预处理和数据清洗等技术,可使曲线拟合对烦人的异常值及干扰性的噪声数据点更具鲁棒性。
预处理与数据清洗是用于增强曲线拟合对异常值和噪声鲁棒性的技术。
主讲人解释道,曲线拟合使我们得以看清数据试图讲述的故事——它穿透噪声与单个数据点,揭示整体趋势,并帮助我们理解不同因素与参数的影响。
曲线拟合有助于识别数据中的整体趋势,使工程师能够在存在个体噪声的情况下理解不同因素和参数的影响。
主讲人概述了本视频的目标:快速且交互式地进行曲线拟合,扩展至非线性回归,通过施加系数边界约束来优化拟合,并将结果集成到 Simulink 中。
屏幕文字依次列出:‘对数据进行曲线拟合’、‘非线性回归’、‘带约束的优化’、‘集成到 Simulink 中’。
本视频将涵盖交互式曲线拟合、扩展至非线性回归以评估统计显著性、在系数边界约束下进行优化,以及将拟合结果集成到 Simulink 中。
主讲人描述风力涡轮机在风吹动时旋转,带动发电机运转,从而以电能形式产生电力。
一段动画展示风力涡轮机旋转,随后切换为展示其内部发电机结构与输电线路的连接。
风使涡轮机叶片旋转,进而带动发电机产生电能。
主讲人指出,依据这一事件链,我们可以绘制出风速与涡轮机输出功率之间的S形关系曲线;之所以假设该关系为S形,是因为风速需达到一定阈值才能开始推动叶片转动。
屏幕上风力涡轮机图标旁绘出一条白色S形曲线。
风力涡轮机中风速与功率输出之间的关系被建模为S形曲线,因为需要达到最低风速才能开始发电。
主讲人提问:如何从含有异常值的数据得到S形曲线?并回答:“当然是曲线拟合。”
视频将曲线拟合呈现为一种实用方法,用于从原始的风速/功率输出观测数据(含异常值)出发,获得由S形曲线表示的平滑函数关系。
原始数据包含多个观测值,其中存在一些异常值。
目标是估计变量之间的一种平滑关系。
主讲人指出,存在一个影响风力发电机功率输出的多因素数据集,并说明可重点关注风速与功率输出之间的关键关系。
电子表格的列包括:turbine_id、time_stamp、wind_speed、wind_direction、air_density、turbulence_intensity、wind_shear、power 和 outlier。
该示例采用一个表格型数据集,其中包含风力发电机的若干环境与运行因素,以功率为响应变量,并在首次曲线拟合中将风速单独列为最主要预测变量。
数据按观测行与变量列组织。
功率输出被视为因变量。
主讲人说:“在开展这项工作之前,我们可以先应用一些基本的预处理步骤,以清理数据并为曲线拟合做好准备。”
主讲人补充道:“我们已从性能日志中识别出异常事件,因此只需将其移除。”
电子表格视图高亮显示了与异常值处理相关的行,同时弹出 MATLAB 中 Data Cleaner 的文档页面。
视频片段中未说明标记异常事件所采用的具体规则。
在进行曲线拟合之前,该工作流程会先移除日志中已识别出的异常事件,从而确保模型基于清洗后的数据进行估计,而非基于被标记为离群值的记录。
性能日志中已识别出异常事件。
目标是为曲线拟合准备数据。
主讲人说道:“现在让我们使用 MATLAB 中的曲线拟合器应用程序,不仅绘制展示该关系的数据点,还对其拟合一条曲线。”
主讲人描述了如何选择风速作为横轴(x 轴)、功率输出作为纵轴(y 轴),并选用 S 形曲线。
MATLAB 曲线拟合器窗口显示了‘选择数据’、‘拟合选项’、散点图以及拟合曲线。
视频演示了一个交互式拟合工作流程:打开曲线拟合器,选择预测变量和响应变量,检查散点图,选定模型族,最终获得拟合曲线及拟合优度信息。
数据可在 MATLAB 中获取。
用户希望在同一个界面中同时实现可视化与模型拟合。
主讲人说:“从数据的形状可以看出,我们应选择一条 S 形曲线。”
拟合图显示了一条穿过风速与功率输出散点图的 S 形曲线。
模型族通过视觉方式选定:由于散点图从低值开始上升,在中部变陡,并在较高风速处趋于平缓,视频据此判定该关系为 S 形,并拟合了一条 S 形曲线。
所绘制的关系呈现 S 形趋势。
响应在预测变量取较高值时趋于饱和。
讲话人说:“如图所示,风速显然具有很大影响,而其余因子的影响都非常小,它们的曲线均接近水平。”
在‘切片图’窗口中,风速面板呈现陡峭的 S 形曲线,而其他面板则几乎呈水平状。
该结论是针对本数据集及该拟合模型提出的,并非适用于所有风力涡轮机的普遍规律。
对于视频片段中展示的该拟合风力涡轮机模型,风速对预测功率输出的影响远大于风向、空气密度、湍流或风切变。
已基于风速及另外四个因子拟合了一个非线性模型。
‘切片图’显示基于该拟合模型。
针对本视频片段中展示的数据集和模型。
讲话者说:“为简化起见,对于其他因素,我们可以假设其关系为线性。”
代码叠加部分使用 .*x(:,2) + .*x(:,3) + .*x(:,4) + .*x(:,5)。
风向、空气密度、湍流和风切变的“绘图切片”面板显示的曲线接近水平。
该片段指出线性假设是出于建模便利性的考虑;它并未证明真实关系恰好是线性的。
在本片段展示的多因素模型中,除风速外的其他因素均假设以线性方式进入模型,且其拟合效应足够小,使得对应“绘图切片”的曲线接近水平。
该模型对其他因素采用线性项。
所显示的“绘图切片”对应于已拟合的模型。
针对本片段中已拟合的模型及所绘制的示例。
主讲人根据风切变的 p 值,得出其缺乏统计显著性的结论。
风切变的 p 值为0.32。
由于‘风切变’预测变量的 p 值为0.32,大于0.05,因此它对功率输出没有统计显著性影响,可从模型中移除。
显著性水平为0.05。
原文中未陈述任何量化词。
主讲人指出:‘如我们所见,这两个模型非常相似,具体选用哪一种功能,取决于实际需求与待解决的问题。’
表格显示,两种方法在 R 平方、调整后 R 平方、均方根误差(RMSE)及误差平方和(SSE)等指标上数值几乎完全相同。
标准曲线拟合方法(Fitnlm)与约束优化方法对此数据集生成的模型在统计上相似。
评估依据包括决定系数 R²、调整后决定系数、均方根误差(RMSE)和误差平方和(SSE)。
原文中未陈述任何量词。
讲解员指出,第二个查表模块表示风速与功率输出之间的关系。
下方分支标注为 mpptActivePowerDemand,依次经过 MW 到 W 的单位换算,最终得到 activePowerDemand。
在所示子系统中,下方的1-D 查表模块表示风速与功率输出之间的关系。
该模型即视频片段开头 Simulink 窗口中显示的模型。
针对视频中展示的特定子系统。
讲解员称,这些子系统和查表模块是依据最新的实验数据进行校准的。
更新后的模型包含一个 curveblock,该模块源自先前拟合所得的数据曲线图。
在用导出的曲线拟合模块替换下方查表模块后,讲解员将该子系统及查表模块描述为已依据最新的实验数据完成校准。
所导出的模块来自替换操作前立即展示的 Curve Fitter 模型。
针对本视频片段所演示的工作流程。
讲话者依次介绍数据集、预处理、在曲线拟合器中选择变量,最后选定S形曲线。
电子表格数据 → 曲线拟合器散点图 → 拟合得到的S形曲线。
从一个包含风力相关因素和功率输出的表格数据集开始。
讲解者介绍该数据集,电子表格视图显示了如 wind_speed 和 power 等列。
在建模前,根据性能日志识别并剔除异常记录。
讲解明确指出已应用基础预处理,并已剔除异常事件。
在曲线拟合工具(Curve Fitter)中,选择风速作为x变量、功率输出作为y变量。
讲解者陈述了这一选择,对话框中显示 X data = windSpeed,Y data = powerOutput。
观察散点图的形状,并选择S形模型族。
讲解指出数据形状表明其符合S形曲线,界面随之切换为S形拟合。
获取拟合曲线及拟合优度汇总信息。
最终图像显示一条覆盖数据点的S形曲线,侧边面板则展示拟合统计量。
该示例演示了一个实用流程:清洗数据、选定预测变量与响应变量、观察散点图形状,并在 MATLAB 中拟合S形曲线。
主讲人从拟合的风速S形关系过渡到考虑其他风力因素,并构建一个非线性模型。
代码叠加层显示 modelFun = @(b,x),其中对 x(:,1) 使用 S 形项,对 x(:,2) 至 x(:,5) 使用线性项。
“绘图切片”窗口分别显示每个因素的独立效应曲线。
该片段未详细展示 b1–b7 的数值估计过程。
对风速使用 S 形项,并为其余因素添加线性项。
解说指出风速呈 S 形关系,而其他因素为简化起见可假定为线性;代码叠加层正体现了这一结构。
使用初始参数猜测值,将该非线性模型拟合到预测变量矩阵 X 和响应变量 y 上。
代码叠加层明确展示了这一 MATLAB 拟合调用。
在“绘图切片”窗口中检查每个预测变量的偏效应。
主讲人指出,各因素的影响可在“绘图切片”窗口中观察到,且界面为每个因素单独显示一个面板。
通过比较各面板中曲线的陡峭程度来判断各因素影响的相对大小。
旁白将风速曲线的陡峭程度与其他因素近乎平缓的曲线进行对比,以此作为各影响因素作用大小不同的证据。
视频将单变量曲线拟合拓展为非线性回归模型,并利用偏效应图比较各因素对预测功率输出的影响程度。
说话人说:“我们可以将曲线拟合问题定义为最小化目标函数,并将之前使用的拟合方程重写为目标函数,该函数使误差平方和最小。”
优化任务中的‘目标’字段显示为:sum((clean_turbine_data.power - (x1 ./ ((-x2 * clean_turbine_da...)))^2)。
完整公式在用户界面中被截断,但其结构清晰明了。
目标是最小化观测数据(功率)与模型预测值之间差值的平方和。
最小二乘优化的定义。
曲线拟合问题已成功转化为标准的非线性最小二乘优化问题。
视频片段首先展示了 Curve Fitter 中拟合的散点图与逻辑斯蒂方程。
用户打开“导出”菜单,并选择“创建 Simulink 查找表”。
Simulink 模型中,下方的查找表被 curveblock 替代。
讲解员说明:先前的模型可导出为 Simulink 查找表,并在子系统中完成替换。
从 Curve Fitter 中显示的先前拟合的风速/功率输出模型出发。
视频明确回到此前使用 Curve Fitter 应用程序创建的模型。
将屏幕上显示的逻辑斯蒂拟合结果用作数据关系的数学表达。
方程及拟合参数在结果面板中可见。
将选定的拟合结果导出为 Simulink 查找表。
打开“导出”菜单,并在屏幕上选择“创建 Simulink 查找表”。
将生成的查找表模块插入 Simulink 子系统的下支路,以替代原先的 mpptActivePowerDemand 查找表。
更新后的模型在下方路径中显示了一个名为 curveblock 的新模块。
该片段演示了从拟合的逻辑斯蒂曲线直接生成风速/功率输出分支的 Simulink 查找表实现的工作流程。
一张幻灯片列出了“数据拟合曲线”“非线性回归”“带约束的优化”以及“集成到 Simulink”四项内容。
讲解员总结了从原始数据出发,得到拟合曲线;开展含多个预测变量的回归分析;实施带约束的优化;最终基于原始拟合曲线构建 Simulink 查找表的过程。
从数据开始。
总结幻灯片上的第一条要点是“数据拟合曲线”。
转向拟合曲线,并开展含多个预测变量的非线性回归。
幻灯片上列出了“非线性回归”,讲解中提到了含多个预测变量的回归。
接着应用带约束的优化。
‘带约束的优化’作为第三条要点出现在幻灯片上。
最后将结果以查找表形式集成到 Simulink 中。
第四点是集成到 Simulink 中,讲解最后以从原始曲线拟合结果创建 Simulink 查找表结束。
结尾的回顾将本教程概括为一个完整流程:从数据拟合出发,依次经过回归分析、约束优化,最终实现 Simulink 集成。
主讲人以风力涡轮机的数据为例,解释其物理机制以及由此产生的风速与功率输出之间的S形关系。
通过风力涡轮机、发电机和S形曲线的动画来说明该示例。
对风力涡轮机的风速与功率输出之间的关系进行建模。
风吹动时,风力涡轮机的叶片旋转。
旋转带动发电机产生电能。
风必须达到一定速度,才能开始推动叶片。
绘制风速与功率输出之间的关系图。
识别物理事件链:风吹 → 叶片旋转 → 发电机转动 → 产生电能。
由主讲人陈述。
根据物理约束(启动所需最低风速)确定该关系的形状。
由主讲人陈述。
得出结论:该关系呈S形。
由主讲人陈述,并通过S形曲线动画加以说明。
风速与功率输出之间的关系呈S形。
原始资料中未展示任何验证步骤。
讲解者逐步演示了在 MATLAB 中加载数据集、清洗数据、选取风速与功率输出变量,以及拟合 S 形曲线的过程。
画面展示了电子表格的列、曲线拟合器对话框、散点图以及拟合得到的 S 形曲线。
单变量 S 形曲线最终拟合方程的系数仅短暂显示,旁白并未对其作完整讲解。
给定一个包含多个影响因素的风力涡轮机数据集,使用曲线拟合方法估计风速与功率输出之间的关系。
一张包含 wind_speed、power 及异常值标记列的电子表格/表格。
异常事件已从运行日志中识别出来。
MATLAB 曲线拟合器可用。
生成一条描述功率输出随风速变化的拟合曲线。
加载数据集,并确定首个模型所需的相关变量。
旁白说明数据从电子表格中提取,并在 MATLAB 中为绘图做好准备。
通过剔除异常记录来执行基础预处理。
讲话者明确指出,在曲线拟合之前已剔除异常事件。
选择风速作为预测变量,功率输出作为响应变量。
曲线拟合器的选择对话框显示 X 数据 = windSpeed,Y 数据 = powerOutput。
选择 S 形拟合类型,因为散点图呈现出 S 形趋势。
旁白指出,数据的形状表明应选择 S 形曲线。
查看拟合曲线及拟合优度面板,然后判定该拟合结果可接受,无需进一步优化。
讲话者表示拟合效果相当好,并提到可选的优化方式包括剔除离群值或调整高级选项。
在 MATLAB 中对风速/功率输出数据拟合一条 S 形曲线,从而得到该关系的平滑模型。
拟合曲线被直观地叠加在散点图上,界面同时报告拟合优度指标,例如 SSE、R 方和校正 R 方。
讲话者列举了其他影响因素,并指出可借助统计与机器学习工具箱构建非线性模型。
代码覆盖层定义了 modelFun 函数,其中风速项采用 S 形函数(sigmoid)形式,其余因素则采用线性项。
切片图窗口展示了风速、风向、空气密度、湍流和风切变各自的效应曲线及对应的 p 值。
本片段未口述各系数的具体数值估计结果。
每一列 x(:,j) 与各命名因素之间的精确对应关系由上下文隐含,但并未逐个口头列举。
将单变量拟合拓展为多变量拟合,以理解风速、风向、空气密度、湍流和风切变对功率输出的联合影响。
风速与功率的关系已知呈 S 形(sigmoidal)。
其他影响因素包括风向、空气密度、湍流和风切变。
MATLAB 提供了一个非线性拟合函数。
构建并解读一个包含所有所列因素的非线性模型。
列出除风速外的其他影响因素。
幻灯片与讲解中明确指出的影响因素为风向、空气密度、湍流和风切变。
定义一个模型,其中风速项采用Sigmoid函数,其余因素采用线性项。
旁白说明了这一建模选择,代码叠加层也展示了相同的结构。
在MATLAB中拟合该非线性模型。
代码叠加层明确显示了fitnlm函数调用。
打开切片图窗口,以检查各因素的影响。
说话人指出,各因素的影响可在切片图窗口中观察到。
比较所绘制的曲线:风速曲线陡峭且呈S形,而其他曲线则近乎水平。
旁白直接将视觉输出解读为:风速影响很大,而其他因素的影响则非常小。
该多因素非线性模型表明,在本例中风速是主导预测因子,其余因素的贡献则小得多。
该结论通过切片图显示结果及相应的p值加以验证:风速的p值为0.00,而其他因素的p值则大得多,尤其是风切变的p值为0.32。
说话人分析了风切变预测变量,并决定将其移除。
表格显示风切变呈平坦曲线,且 p 值 = 0.32。
判断‘风切变’变量是否应包含在功率输出模型中。
风切变的 p 值为0.32。
显著性阈值为0.05。
决定保留还是移除该变量。
将风切变预测变量的 p 值与标准显著性水平进行比较。
统计假设检验规则。
由于 p 值较高,该变量在统计上不显著,因而从模型中剔除。
基于 p 值的特征选择。
风切变对功率输出没有统计显著性,因此从模型中移除。
主讲人根据表格中的可视化证据明确陈述了结论。
主讲人使用统计指标对两个模型进行比较。
表格展示了“Fitnlm 方法”和“优化方法”各自的 R 平方值、调整后 R 平方值、均方根误差(RMSE)以及误差平方和(SSE)。
评估标准曲线拟合与带约束优化拟合的性能。
Fitnlm 方法:R 平方值 = 0.98962,均方根误差 = 3.358,误差平方和 = 。
优化方法:R 平方值 = 0.98962,均方根误差 = 3.3579,误差平方和 = 。
判断哪种方法更优,或二者是否等效。
观察两行中 R 平方值、均方根误差(RMSE)和误差平方和(SSE)的数值。
模型评估方法。
各项指标显示,两种方法之间的差异可忽略不计。
对表格的直接观察。
两个模型非常相似,具体选用哪种功能,取决于实际应用需求。
主讲人的口头结论与表格中呈现的数值数据一致。
Simulink 模型显示 windSpeed 进入两条查找分支,其中下分支随后被 curveblock 替代。
曲线拟合器面板显示逻辑斯蒂拟合结果及其系数。
用户将拟合结果导出为 Simulink 查找表,并返回模型。
讲解者指出,第二个查找表表示风速与功率输出之间的关系,可用已导出的模型替代。
生成的查找表内部的确切数值断点未在画面中显示。
本片段中未明确说明 windSpeed 和 powerOutput 的单位。
给定一个 Simulink 子系统,其下分支使用了风速与功率输出之间的查找表,请利用先前在曲线拟合器中拟合好的模型更新该分支。
初始模型输入为 windSpeed。
下分支最初使用一个标记为 mpptActivePowerDemand 的1维查找表。
拟合模型是一条S形曲线,其表达式为 ,描述功率输出与风速之间的关系。
导出菜单提供‘创建Simulink查表模块’功能。
用基于拟合曲线生成的Simulink查表模块,替换下方的手动查表模块。
在子系统中,将下方分支识别为风速与功率输出之间的关系。
讲解员明确指出,第二个查表模块代表该关系。
重新打开Curve Fitter中先前拟合的逻辑回归模型。
视频回到此前建模步骤中的图像与方程。
使用‘导出 → 创建Simulink查表模块’,为拟合结果生成查表表示形式。
菜单选项在屏幕上显示出来。
将生成的模块放置在下方分支中,它以带S形图标的curveblock形式出现。
更新后的Simulink框图显示了下方路径中的替换结果。
下方分支已更新为使用curveblock,即一个由拟合逻辑回归模型导出的Simulink查表模块。
讲解员指出,子系统和查表模块已根据最新的实验数据完成校准,且可视化模型显示替换操作已完成。
出现一个网格,上面分布着散落的彩色点;一条蓝色曲线穿过这些点,用以说明将数学表达式拟合到数据的概念。
网格
彩色点
蓝色曲线
点随机出现在网格上。
一条蓝色曲线穿过这些点。
网格保持静止。
通过展示一条连续函数逼近离散数据点的过程,直观呈现曲线拟合。
一台3D风力涡轮机模型旋转,随后镜头拉近至机舱,展示发电机机构,再切换为发电机连接输电线路的示意图。
风力涡轮机
发电机
输电线路
涡轮叶片旋转。
镜头拉近至发电机。
示意图展示与电网的连接。
阐释将风能转化为电能的物理机制。
一条白色S形曲线水平绘制在屏幕一侧,旁边是一个风力涡轮机图标。
白色 S 形曲线
风力涡轮机图标
S 形曲线从左至右逐步绘制。
风力涡轮机图标保持静止。
表示风速与功率输出之间的非线性关系。
一位主讲人坐在桌前,风格化的风力涡轮机、云朵、树叶和奶牛图形围绕他出现并移动。
旁白提到,当风速达到某一较高值时,发电机输出的电量将达到上限。
主讲人
风格化的风力涡轮机图示
云朵
树叶
奶牛图示
桌牌上写着“真实模型具有曲线”
云朵与树叶缓缓飘过画面。
风力涡轮机图示持续旋转。
一只奶牛图示出现在涡轮机附近。
主讲人始终坐在桌前。
背景桌牌持续可见于书架上。
动画演示了讲解中提到的观点:涡轮机输出不会无限增加;在更高转速下,发电机将达到最大输出,因此输出曲线呈非线性形状。
画面从主讲人切换至一台电脑显示器,显示类似 MATLAB/Simulink 风力涡轮机模型的界面,随后镜头拉远,呈现更完整的工位全景,左侧为代码界面。
短暂的软件画面蒙太奇中,部分界面文字不够清晰,难以完全辨认。
电脑显示器
键盘
鼠标
塔架
显示涡轮机模型图示的软件窗口
代码窗口
画面从显示器逐渐拉远,展现整个工位全貌。
软件窗口内容由模型图示切换为代码与绘图视图。
工作站设置仍以计算建模为核心。
这一视觉过渡表明,讨论正从定性解释转向基于数据的软件建模。
一个电子表格/表格包含多行多列,列名包括 turbine_id、time_stamp、wind_speed、wind_direction、air_density、turbulence_intensity、wind_shear、power 和 outlier。
在预处理讨论期间,一支橙色箭头指向 outlier 列中的若干行。
单个单元格的数值过小,无法可靠转录,仅列名除外。
电子表格网格
列标题
橙色指示箭头
outlier 列
视图在表格中滚动或平移。
该箭头突出显示与异常值处理相关的特定行。
表格保持为观测值的行与变量的列的结构。
该图示确立了原始输入数据的结构,并支持叙述中关于在拟合前剔除异常行的内容。
MATLAB 曲线拟合器窗口显示了 powerOutput 相对于 windSpeed 的散点图、一个‘选择拟合数据’对话框,以及右侧的结果面板。
光标用于选择数据、打开拟合类型选项,图表则从仅显示散点更新为同时显示散点与拟合曲线。
结果面板中一些较小的数字条目仅能部分辨认。
曲线拟合器窗口
散点图
选择拟合数据对话框
拟合选项面板
拟合曲线
拟合优度表
X 变量和 Y 变量分别选定为风速与功率输出。
拟合类型变更为 S 形曲线。
一条平滑的 S 形曲线叠加在散点图上。
拟合统计信息填充至侧边面板。
横轴仍为风速,纵轴仍为功率输出。
动画展示了完整的建模循环:选择变量、观察数据形态、选定模型族、获得带定量诊断信息的拟合曲线。
一张橙色幻灯片列出了影响功率输出的因素:风速、风向、空气密度、湍流、风切变。
标题文字
带项目符号的因素列表
各因素依次在幻灯片上呈现。
全部五个因素始终共同列于该幻灯片上。
该幻灯片标志着概念上的转变:从单一预测变量的S形曲线拟合,转向多因素建模问题。
presenter 旁出现一段代码覆盖层,其中包含关于参数 b1-b7 和预测变量 x 的注释、modelFun 的定义,以及一次 fitnlm 调用。
该覆盖层持续时间较短,因此周围代码并非每一行都清晰可读。
主讲人
代码覆盖窗口
modelFun 的定义
fitnlm 调用
当主讲人讲解模型结构时,该代码覆盖层同步出现。
该覆盖层始终显示:对 x(:,1) 采用 S 形项,对 x(:,2) 至 x(:,5) 则采用线性项。
该可视化图示给出了扩展模型的数学形式:在风速上为非线性,在其他因素上为线性,随后使用 MATLAB 的非线性模型拟合函数进行拟合。
一个‘切片图’窗口显示五个面板,分别标注为‘风速’、‘风向’、‘空气密度’、‘湍流’和‘风切变’,其对应的 p 值分别为0.00、0.00、0.00、0.00和0.32。
presenter 讲解效应量大小时,不同面板依次高亮显示。
视频片段中未解释 p 值背后所用的具体统计检验方法。
绘图切片窗口
五个预测变量面板
每个面板中的预测 y 曲线
p 值标签
高亮区域从一个预测变量面板移动到另一个预测变量面板。
风速面板呈现陡峭的 S 形曲线,而其余面板则几乎呈水平状。
所有面板共享同一总体目标:一次仅展示一个因素的效应。
该可视化比较支持如下结论:在此拟合模型中,风速主导了预测功率输出,而其他因素的边际效应则弱得多。
屏幕上显示 MATLAB 实时编辑器中的“优化”任务块,包含以下部分:“创建优化变量”(列出带边界的变量 x1 至 x6)、“定义问题”(目标:最小化,目标函数:sum(...))以及“指定与问题相关的求解器选项”(求解器:lsqnonlin(自动))。
优化任务块
变量表格
目标函数输入框
求解器下拉菜单
用户滚动浏览优化问题的配置选项。
实时编辑器任务的整体结构保持不变。
该可视化演示了如何在 MATLAB 中通过图形界面配置一个带约束的非线性优化问题,将数学概念(变量、边界、目标函数)映射到用户界面元素。
屏幕显示一个名为“机舱”的 Simulink 模型,随后放大至其中的“功率控制器”子系统,该子系统内含一个“最大功率点跟踪控制”模块。
Simulink 画布
机舱子系统
功率控制器子系统
最大功率点跟踪(MPPT)控制模块
视图从高层系统框图过渡到详细的子系统。
底层 Simulink 环境保持不变。
这展示了所拟合数学模型在更大规模动态系统仿真中的实际应用,具体用于控制风力发电机的功率输出。
主讲人指出,原始数据以未经处理的形式存在时,对试图进行计算或得出结论的工程师而言,大多并无实际帮助。
原始数据可直接用于计算或得出结论。
原始数据必须经过处理(例如通过曲线拟合),才能真正适用于工程分析。
主讲人强调应在曲线拟合前应用预处理并剔除异常事件。
数据集视图中显示了离群值列和高亮的行。
有人可能认为,无需处理已标记的异常,便可立即对原始数据进行拟合。
该视频在曲线拟合之前明确从性能日志中移除了异常事件,表明预处理是建模工作流的一部分。
主讲人说:“从数据的形状可以看出,我们希望选择一条S形曲线。”
一个常见错误是未查看散点图就选定曲线类型。
在此例中,绘图数据呈现的S形趋势促使我们选择S形模型,而非任意选取一种拟合类型。
主讲人说:“对于其他因素,为简化起见,我们可以假设其呈线性关系。”
观众可能推断,其他因素在现实中必定是线性的。
视频指出,采用线性处理是为了模型简化,并非作为精确的基本规律加以验证。
主讲人通过比较各因子间曲线的陡峭程度来解读“绘图切片”窗口。
其中一个面板的曲线很陡,而其余面板的曲线几乎呈水平状。
人们可能预期所有列出的因子都同等重要,因为它们均出现在模型中。
“绘图切片”显示,在本例所拟合的模型中,风速具有显著影响,而其他因子的影响则非常小。
讲解者指出,基于较高的 R² 值(约0.99),这些模型彼此相似。
认为 R² 值接近1就足以保证该模型在所有情境下都绝对准确或具有物理意义。
尽管高 R² 值表明模型对训练数据拟合良好,但它无法反映过拟合、遗漏变量偏差,也无法判断模型是否满足物理约束(因此引入了带边界限制的优化方法)。
视频展示了将 Curve Fitter 中拟合好的模型直接导出为 Simulink 查找表。
下方分支由通用的1维查找表变更为带S形图标的 curveblock。
人们可能认为 Simulink 中的查找表必须始终通过在模块中键入断点来手动构建。
本片段演示了:Curve Fitter 中已拟合的模型可直接导出为 Simulink 查找表,并自动插入模型中。
主讲人说:‘曲线拟合正是完成这一处理过程的方法……’,此处所指即前述对原始数据的处理需求。
曲线拟合是一种专门用于实现原始数据处理目标的具体技术。
主讲人将风力涡轮机的物理机制与S形关系的数学模型联系起来。
风力涡轮机的物理运行方式决定了其功率输出模型的数学形式(S形)。
主讲人提问如何从数据得到S形曲线,并回答是曲线拟合;随后引入风力涡轮机数据集。
对风力涡轮机数据集应用曲线拟合,以估计变量之间的关系。
主讲人指出在曲线拟合前需进行预处理,然后切换至“曲线拟合器”应用程序。
清理异常记录被列为使用“曲线拟合器”前的准备步骤。
主讲人表示将使用 MATLAB 中的“曲线拟合器”应用程序绘制数据并拟合曲线。
曲线拟合这一抽象概念,通过 MATLAB “曲线拟合器”的工作流程得以实现。
主讲人依据数据的形状选择了一条 S 形曲线。
在曲线拟合工作流中,选择S形模型是选择拟合类型的一种特定情形。
讲话者指出,可通过剔除异常值或调整高级选项来进一步优化该拟合。
获得初始S形拟合后,工作流包含可选的优化步骤。
讲话者从已拟合的S形风速关系过渡到借助非线性模型理解所有影响因素。
代码叠加保留了风速的S形项,并为其他因素添加了线性项。
单变量S形拟合被推广为一个多因素非线性模型,该模型仍保持风速上的S形依赖关系。
讲话者指出,各因素的影响可在“绘图切片”窗口中观察到。
绘图切片为拟合模型中的每个预测变量显示一个面板。
绘图切片窗口用于解读已拟合的多因素非线性模型。
讲话者通过解读绘图切片曲线得出结论:风速影响很大,而其他因素影响较小。
陡峭面板与平缓面板之间的视觉对比支持了这一说法。
关于各因素相对重要性的论断,依赖于绘图切片窗口中呈现的视觉与统计证据。
讲解者从剔除不显著因素,过渡到添加边界与约束,以构建更精确的模型。
通过 p 值识别显著预测因子,是构建最终带约束优化问题以实现曲线拟合的初步步骤。
完成优化设置后,主讲人立即转而使用统计指标对所得模型进行比较。
采用R平方值和均方根误差(RMSE)等统计指标,评估通过优化过程实现的曲线拟合效果。
主讲人定义了曲线拟合。
主讲人解释:未经处理的原始数据毫无帮助。
主讲人描述了风力涡轮机中的S形关系。
主讲人提问:如何从含有异常值的数据得到S形曲线,并回答是通过曲线拟合。
主讲人表示,在曲线拟合前先进行基础预处理,并剔除异常事件。
主讲人指出,将风速置于横轴(x轴),功率输出置于纵轴(y轴)。
‘选择拟合数据’对话框显示:X数据 = windSpeed,Y数据 = powerOutput。
主讲人指出,数据的形态表明应选择S形曲线。
主讲人提到,可通过排除特定异常点或调整高级拟合选项来优化拟合效果。
幻灯片列出了风速、风向、空气密度、湍流和风切变。
主讲人指出了影响功率输出的其他因素。
代码叠加图显示了x(:,1)的S型函数项,以及x(:,2)至x(:,5)的线性项。
主讲人指出,各因素的影响可在“绘图切片”窗口中观察到。
各个分面板分别展示了每个因素的影响曲线。
主讲人指出,风速的影响十分显著,而其他因素的影响则非常微弱。
风速面板曲线陡峭;其余面板曲线几乎呈水平状。
已覆盖 · 引入数据混乱的问题,并提出‘什么是曲线拟合’这一问题。
已覆盖 · 曲线拟合的定义及提升鲁棒性的方法。
已覆盖 · 解释曲线拟合如何揭示数据中的趋势与内在规律。
已覆盖 · 本视频内容概览:拟合、回归、优化、Simulink。
已覆盖 · 风力涡轮机数据示例,以及风速与功率之间的S形关系。
已覆盖 · 介绍性动画与讲解说明:发电机输出在较高速度下达到上限。
已覆盖 · 画面从主讲人自然过渡到计算软件环境。
已覆盖 · 主讲人提出问题:如何从含有异常值的数据拟合出S形曲线,并给出答案——曲线拟合。
已覆盖 · 介绍数据集,并在电子表格中展示风力涡轮机相关变量。
已覆盖 · 讨论数据预处理,包括剔除异常事件,并提及Data Cleaner工具。
已覆盖 · 打开Curve Fitter应用,选择风速与功率输出变量。
已覆盖 · 根据数据形态选择S形曲线,并获得拟合结果。
已覆盖 · 讨论可选的优化方式,例如剔除异常值或调整高级拟合选项。
已覆盖 · 从单一S形拟合过渡到考虑其他风力因素。
已覆盖 · 幻灯片列出影响功率输出的其他因素。
已覆盖 · 在代码中构建非线性多因素模型,其中风速项采用S形函数,其余因素项为线性形式。
已覆盖 · 通过Plot Slice图解读可知,在本次拟合示例中,风速起主导作用,而其他因素影响较弱。
已覆盖 · 对p值的分析以及风切变预测变量的移除。
已覆盖 · 过渡说明:基于物理限制,有必要引入边界与约束条件。
已覆盖 · MATLAB 实时编辑器中设置优化任务的详细操作步骤。
已覆盖 · 使用统计指标对两种曲线拟合方法进行比较。
已覆盖 · 关于模型未来应用的讨论,包括预测、机器学习以及与 Simulink 的集成。本节未引入任何新的核心数学定义,仅涉及概念性应用。
已覆盖 · 初始 Simulink 子系统包含两个 1-D 查找表;讲解指出下方表格表示风速与功率输出的关系。
已覆盖 · 曲线拟合器视图显示功率输出对风速的逻辑斯蒂拟合、相关系数及拟合优度统计量。
已覆盖 · 导出菜单打开,并选择“创建 Simulink 查找表”;对话框短暂出现。
已覆盖 · 更新后的 Simulink 模型显示,下方查找表已被 curveblock 替代;讲解员说明该模型已根据最新的实验数据完成校准。
已覆盖 · 出镜主讲人转入结尾回顾环节;除口头总结的铺垫外,未引入任何新的数学内容。
已覆盖 · 总结幻灯片列出四步流程,并将散点数据动画化为拟合曲线。
已覆盖 · 结束语与结束卡片提及相关工具箱并感谢观众;未呈现额外的数学推导或示例。
已审核中文素材 v1:知识卡片(概念卡片)「曲线拟合的定义」从 0:45 起——曲线拟合是将一个数学表达式(即一条曲线)应用于原始数据的过程,用以表征其内在趋势,从而使数据可用于分析与计算。
已审核中文素材 v1:知识卡片(概念卡片)「初始拟合可通过剔除离群值或更改选项来进一步优化。」从 3:58 起——在获得良好的 S 形拟合后,主讲人指出,还可根据问题需求,通过剔除特定离群点或调整高级拟合设置,实现进一步优化。
已审核中文素材 v1:例题(例题)「MATLAB 示例:使用非线性回归对多个风力因素建模」出现在 4:21–5:00——将单变量拟合拓展为多变量拟合,以理解风速、风向、空气密度、湍流和风切变对功率输出的联合影响。 构建并解读一个包含所有所列因素的非线性模型。 列出除风速外的其他影响因素。; 定义一个模型,其中风速项采用Sigmoid函数,其余因素采用线性项。; 在MATLAB中拟合该非线性模型。; 打开切片图窗口,以检查各因素的影响。; 比较所绘制的曲线:风速曲线陡峭且呈S形,而其他曲线则近乎水平。
已审核中文素材 v1:推导(推导)「构建目标函数」出现在 5:59–6:10——目标是最小化观测数据(功率)与模型预测值之间差值的平方和。
在片段中显示的拟合风力涡轮机模型中,风速对预测功率输出的影响远大于风向、空气密度、湍流或风切变。这由 Plot Slice 窗口中风速的陡峭 S 形曲线所证明,而其他因素的曲线几乎水平,表明影响非常小。
适用条件:分析基于视频片段中显示的具体数据集和拟合模型。;使用风速加上其他四个因素拟合了非线性模型。
Plot Slice 窗口为拟合的多因素模型中的每个预测变量显示单独的面板。要比较影响,请观察每个面板中曲线的陡峭程度。
适用条件:具有多个预测变量的拟合模型可用。;软件可以为每个预测变量生成偏效应风格的图表。
选择 S 形曲线是因为风力涡轮机的物理机制决定了功率输出不会随风速线性增加。需要一定的最低风速才能开始推动叶片旋转,而在较高的风速下,发电机达到其最大电力输出。
适用条件:正在对风速与功率输出之间的关系进行建模。;考虑了风力涡轮机的物理约束(最小切入速度和最大额定功率)。
要比较不同的曲线拟合方法,你应该使用统计指标,如 R 平方、调整后 R 平方、均方根误差 (RMSE) 和误差平方和 (SSE)。R 平方衡量模型解释的方差比例,而 RMSE 和 SSE 衡量误差的平均大小,值越低表示拟合越好。
适用条件:正在评估两个或多个曲线拟合模型。;这些模型拟合到相同的数据集。
你通过检查它们的 p 值来决定删除哪些变量。如果一个预测变量的 p 值大于所选的显著性水平(通常为 0.05),则认为它在统计上不显著。
适用条件:显著性水平通常设置为 0.05。;模型包含具有相关 p 值的多个预测变量。
该非线性模型结合了风速的 S 形依赖关系以及来自其他风力相关因素的假定线性贡献。在数学上,它表示为 ,其中 代表风速, 到 代表风向、空气密度、湍流和风切变等其他因素。
适用条件:需要将多个预测因素一起建模。;已知风速与功率输出之间存在 S 形关系。;为了简单起见,假设其他因素呈线性关系。
在 MATLAB Curve Fitter 应用中,你为 x 轴选择预测变量,为 y 轴选择响应变量。在风力涡轮机示例中,风速被选为 x 轴上的自变量(预测变量),功率输出被选为 y 轴上的因变量(响应变量)。
适用条件:数据在 MATLAB 中可用。;用户希望可视化和拟合两个特定变量之间的关系。
你可以通过使用优化工具箱将其表述为受约束的优化问题,来强制你的曲线拟合遵守物理限制。将模型系数定义为优化变量,并为每个系数分配特定的下界和上界。
适用条件:需要一个优化求解器,如 lsqnonlin。;目标函数必须基于模型方程定义(例如,最小化误差平方和)。;已知系数的物理或数学约束。