Overview onMathematical Modeling
Prof. Ing. Michele MICCIO
Dept.  of Industrial Engineering (Università di Salerno)
Prodal Scarl (Fisciano)
Rev. 6 of May 25, 2016
1
Models are used not only in the natural sciences(such as physics, biology, earth science,meteorology) and engineering/architecturedisciplinesbut also in the social sciences (such aseconomics, psychology, sociology and politicalscience).
Here is list:
  Physical Models
  Analogic Models
  Provisional Theories(e.g., molecular and atomic models)
  Maps and Drawings(e.g., PI&D, geographycal maps, etc.)
  Mathematical and symbolic models
2
TYPES OF MODELS
  § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B., Process Analysis andSimulationWiley Sons Inc., 1967
MATHEMATICAL MODELINGDefinitions
3
mathematical model is representation, inmathematical terms, of certain aspects of anon-mathematical system.
Aris, 1999
mathematical model is set of mathematicalequations that are intended to capture theeffect of certain system variables on certainother system variables.
Graham C. Goodwin, Stefan F.Graebe, Mario E. Salgado,Control System Design, Ch. 3,Prentice Hall
model may be prescriptive or illustrative,but, above all, it must be useful !
Wilson, 1991
MATHEMATICAL MODELINGDefinitions
mathematical model is description of asystem using mathematical concepts andlanguage. The process of developing amathematical model is termed mathematicalmodellingMathematical models are used notonly in the natural sciences (such as physics,biologyearth sciencemeteorologyandengineering disciplines (e.g. computer science,artificial intelligence), but also in the socialsciences (such as economicspsychology,sociology and political science); physicists,engineersstatisticiansoperations researchanalysts and economists use mathematicalmodels most extensively.
mathematical model usually describes asystem by set of variables and set ofequations that establish relationships betweenthe variables.
4
WHY MATH MODELINGFOR PROCESS SYSTEMS?
Understand the problem: Why doesone need a model?
Is it:
to design a controller?
to analyze the performance of theprocess?
to understand the process better?
to simplify the complexity of a system
etc.
Introduction to Process ControlRomagnoli & Palazoglu
5
First principle Models
 Basic models
 Models involving trasport phenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
dynamic models with “input-outputrappresentation
state-space dynamic models
black box dynamic models
Time Series
Statistical models
(on the base ofthe approach adopted for model development)
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
Deterministic Models
6
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
First principles Models
    orFundamental Models(  Palazoglu & Romagnoli, 2005)orMechanistic or White Box Models(  Roffel & Betlem, 2006)
Modelli basati sul “bilancio di popolazione”
Modelli empirici o di “fitting
Modelli dinamici
Modelli dinamici “con rappresentazioneingresso-uscita”
Modelli dinamici “con rappresentazione nellospazio di stato”
Modelli dinamici a scatola nera (black box)
Serie temporali
Modelli statistici
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
7
(on the base ofthe approach adopted for model development)
GENERAL CONSERVATION LAW
flussi_banca
It is the most well known example of aFundamental Principle:
Input - Output + Net Generation = Accumulation
NB:  GEN > 0  formation
GEN < 0  disappearance
8
SIMPLER CASES
For a chemical element:
IN - OUT = ACC
At steady-state:
IN - OUT + GEN = 0
At steady-state and without chemical/biochemicalreactions:
IN - OUT = 0
FIRST PRINCIPLES MODELS
The description of such system andthe development of such modelrequire the concept of:
  control volume
or
  system boundary
9
 This holds also for the case ofpopulation balance models
First principles Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the populationbalance approach
Empirical or fitting models
Dynamic models
dynamic models with input-outputrepresentation
state-space dynamic models
black box dynamic models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
10
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. BischoffK.B., Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
11
FIRST PRINCIPLES MATHEMATICALMODELS.Malthusian Growth Model
An Early and Very Famous Population Model
In 1798 the Englishman Thomas R. Malthus posited amathematical model of population growth. He model, thoughsimple, has become basis for most future modeling ofbiological populations. His essay, "An Essay on the Principle ofPopulation," contains an excellent discussion of the caveats ofmathematical modeling and should be required reading for allserious students of the discipline. Malthus's observation wasthat, unchecked by environmental or social constraints, itappeared that human populations doubled every twenty-fiveyears, regardless of the initial population size. Said anotherway, he posited that populations increased by fixed proportionover given period of time and that, absent constraints, thisproportion was not affected by the size of the population.
By way of example, according to Malthus, if population of 100individuals increased to population 135 individuals over thecourse of, say, five years, then population of 1000 individualswould increase to 1350 individuals over the same period oftime.
Malthus's model is an example of model with one variableand one parameter. variable is the quantity we are interestedin observing. They usually change over timeParameters arequantities which are known to the modeler before the model isconstructed. Often they are constants, although it is possible forparameter to change over time. In the Malthusian model thevariable is the population and the parameter is the populationgrowth rate.
12
Example No. 1Malthusian Growth Model
PARAMETERS
STATE VARIABLES
CLASSIFICATION
DYNAMIC AUTONOMOUS MATHEMATICAL MODEL
made by ODE (Order =1) ,
LINEAR, CONSTANT COEFFICIENT MODEL
GENERAL CONSERVATION LAWapplied to No. of individuals in closedsystem:ACC GEN
     GEN = birth - death
INITIAL CONDITION:
Example No. 2Logistic Model
13
Differently from the Malthusian model 
developed by Belgian mathematician Pierre Verhulst(1838)
HYPOTHESES
resources are limited for growth: N(t)≤Nsat
GENERAL CONSERVATION LAWapplied to No. of individuals in closedsystem:ACC GEN             GEN birth death
PARAMETERS
STATE VARIABLES
CLASSIFICATION
Dynamic autonomous mathematical model
made by ODE (Order =1) ,
non linear, constant coefficient model
Example No. 2Logistic Model
14
resources are limited for growth: N(t)≤Nsat
CLOSED-FORM SOLUTION
N0≠0
Nsat
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
dynamic models with “input-outputrappresentation
state-space dynamic models
black box dynamic models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
15
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
TRANSPORT PHENOMENA
Examples:
Newton law of viscosity
Fourier law of heat conduction
1st Fick law of diffusion
16
General Law
TRANSPORT AND KINETIC RATEEQUATIONS
17
Momentum, Heat and Mass transfers
Heat
Mass
Momentum
Flux
q
nA
τxy
Diffusion transfer (microscopic scale)
Law
Fourier’s law
1st Fick’s law
Newton’s law
Driving force
(gradient)
dT/dx
dCA/dx
dvy/dx
Keyparameter
(diffusioncoefficient)
kT
(Thermalconductivity)
DAB(Diffusivity)
µ
(Viscosity)
Convection transfer (macroscopic scale)
Driving force
∆T
∆CA
∆P
18
VARIABILI
x: ascissa, m
t: tempo, s
u: velocità, m/s
C: concentrazione del reagente, mol/m3
D: diffusività assiale del gas, m2/s
k: cost. reazione 2° ordine, m3/moli/s
dx
u
0
L
x
Example No. 3The Tubular Reactor
An example of a model involving transport phenomena.
 
HYPOTHESES
Isothermal reactor
2nd order homogeneous chemical reaction
A → P
Flat velocityprofile
Axial diffusion only
19
E' un'equazione differenziale alle derivateparziali (PDEquasi-lineare, parabolica delsecondo ordine,integrabile per assegnate condizioni iniziali econdizioni al contorno
Example No. 3The Tubular Reactor
(DIFFERENTIAL) MASS BALANCE
ACC     =            IN – OUT          +  GEN
20
initial condition
boundary conditions
Example No. 3The Tubular Reactor
x = 0
x = L
Boundary and initial conditions
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
dynamic models with “input-outputrappresentation
state-space dynamic models
black box dynamic models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
21
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
22
MODELS BASED ON A “POPULATIONBALANCE  APPROACH
Formulation
The Population Balance Equation wasoriginally derived in 1964, when two groups ofresearchers studying crystal nucleation andgrowth recognized that many problemsinvolving change in particulate systems couldnot be handled within the framework of theconventional conservation equations only, seeHulburt & Katz (1964) and Randolph (1964).
They proposed the use of an equation for thecontinuity of particulate numbers, termedpopulation balance equation, as a basis fordescribing the behavior of such systems.
This balance is developed from the generalconservation equation:
Input - Output + Net Generation = Accumulation
 § 4.4  in Himmelblau D.M. and Bischoff K.B., “Process Analysis and Simulation”,John Wiley & Sons Inc., 1967 (Collocazione: 660.281 HIM 1)
23
ELEMENTS NECESSARYFOR A POPULATION BALANCE MODEL
24
ENTITY DISTRIBUTION FUNCTION
Physical meaning
is the fraction of entities at time t that are:
contained in the infinitesimal volumedV=dxdydz
characterized by values of properties in theranges ζ1÷ζ1+dζ1ζm÷ζm+dζm
MATHEMATICAL MODELS2nd CLASSIFICATION
Structured Models (or Theoretical orWhite Box Models)
Unstructured Models (or Empirical orBlack Box Models)
Hybrid Models (or Gray Box Models)
25
(on the base of an approach typical ofprocess engineering)
 Ogunnaike B.A. and Ray W.H., ProcessDynamics, Modeling and ControlOxford Univ.Press, 1994
 Romagnoli Palazoglu, "Introduction toProcess Control"
STRUCTURED MODELS
26
Characteristics:
Mathematical equations describing the process system canbe:
a)   Conservation equations e.g. total mass, mass ofindividual chemical species, total energy, momentumand number of particles.
b)    Rate equations e.g. transport rate and reaction rateequation.
c)  Equilibrium equation e.g. reaction and phaseequilibrium.
d)Equations of state e.g. ideal gas law
e)Other constitutive relationships, e.g., control valveflow equation, PID control law, etc.
 Advantages:
They provide fundamental and general knowledge of theprocess
 Disadvantages:
They require good and reliable understanding of thephysical and chemical phenomena that underlie theprocess
Accuracy of models depends on the assumptions andmathematical ability of the person constructing themodel.
white box
Model
i
y
UNSTRUCTURED MODELS
27
Characteristics:
They rely on measured or observed data availability:
a) Vary input variables and then measure the value of theoutput variables.
b) Perform enough measurements or observations(experiments)
The equations describing process system in this way consistin mathematical relationships among the variablesrepresenting the available data (fitting).
Such models that rely solely on empirical information aretermed as black-box models.
Exampleblack-box model simulating the internalcombustion engine operation and implemented into thecontrol box of modern car
 Advantages:
a) No or very limited assumptions required.
b) Just focus on the range of process operating conditions.
 Disadvantages:
a) They require an actual operating process and may becomevery time-consuming and costly
b) They don’t allow extrapolationgenerally
c) They never give the engineer fundamental understandingof the process.
black box
Model
i
y
28
where:
y(t) is the measured process variable
u(t) is the controller output signal
The important parameters that result are:
Steady State Process Gain, KP
Overall Process Time Constant, P
Apparent Dead Time, P  or  td
  The FOPDT model is low order and linear:so it can only approximate the behavior of real processes
Example 4FOPDT model
adapted from:
D. Cooper, "Practical Process Control using Loop-ProSoftware", PDF textbook
An example of Black-Box Dynamic Model
Modeling means fitting first order plus dead time(FOPDT) dynamic process model to the data set:
control_station_logo.jpg
29
STRUCTURED AND UNSTRUCTUREDMODELS:A comparison
Structured Modelstheory-rich and data-poor
Unstructured Modelsdata-rich and theory-poor
30
“HYBRID” MODELS
Hybrid Model is developed byincorporating empirical knowledge intothe fundamental understanding of theprocess.
 
Such models blending fundamental andempirical knowledge are referred to asgray-box models.
Example
An example can be the use of mass andenergy balances to develop a reactor modeland the rate of the reaction will be based onexpressions obtained from laboratoryexperiments.
Introduction to Process ControlRomagnoli Palazoglu
gray box
Model
i
y
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
dynamic models with “input-outputrappresentation
state-space dynamic models
black box dynamic models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
31
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
32
EMPIRICAL OR “FITTINGMODELS
Mathematical models obtained by curve fitting
Curve fitting is the process of constructing curve, ormathematical function, that has the best fit to series ofdata points, possibly subject to constraints.
Curve fitting can involve either interpolationwhere anexact fit to the data is required, or smoothingin which a"smooth" function is constructed that approximately fitsthe data.
related topic is regression analysiswhich focusesmore on questions of statistical inference such as howmuch uncertainty is present in curve that is fit to dataobserved with random errors.
Fitted curves can be used as an aid for datavisualization, to infer values of function where no dataare available, and to summarize the relationshipsamong two or more variables.
Extrapolation refers to the use of fitted curve beyondthe range of the observed data, and is subject to agreater degree of uncertainty since it may reflect themethod used to construct the curve as much as itreflects the observed data.
wikipedia.png
33
EMPIRICAL OR “FITTINGMODELS
The interpolation problem
The smoothing or
regression problem
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
input-output dynamic models
input-state-output dynamic modelsor state-space models
dynamic black box models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
34
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
DYNAMIC MODELS:definitions
35
dynamical system is state space S , set of times Tand rule R for evolution, R:S×T that gives theconsequent(s) to state sS .
dynamical system consists of an abstract phase space orstate spacewhose coordinates describe the state at anyinstant, and dynamical rule that specifies the immediatefuture of all state variables, given only the present values ofthose same state variables.
For example the state of pendulum is its angle and angularvelocity, and the evolution rule is Newton's equation ma.
dynamical mathematical model can be considered to betool describing the temporal evolution of an actualdynamical system.
Dynamical systems are deterministic if there is uniqueconsequent to every state, or stochastic or random if thereis probability distribution of possible consequents (theidealized coin toss has two consequents with equalprobability for each initial state).
dynamical system can have discrete or continuous time.
DYNAMIC MODELS:definitions
36
Order of dynamical system
It is defined as the order of the dynamicalmathematical model representing the system
Order of single differential equation
It is defined as the order of the highestderivative in the differential eq.
Ex.: n-th order ODE:
Order of system of differential equations
It is defined as the sum of the orders of theindividual differential eqs.
37
Mathematical Models3rd classification
Ch.3 of Himmelblau D.M. and Bischoff K.B., Process Analysis and Simulation,Wiley, 1967
on the base of
mathematical features of equations and variables,
also affecting type or easiness of solution
Dynamical models
LINEAR LUMPEDDETERMINISTIC MODELS
 Romagnoli Palazoglu, “Introduction to Process Control”
“The theory of control is well developed forlinear, deterministic, lumped-parametermodels.”
Nonlinear
Distributed
Stochastic
Linear
Lumped
Deterministic
Simple!!   But notnecessarily the best…
38
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
input-output dynamic models
input-state-output dynamic modelsor state-space models
dynamic black box models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
39
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
DYNAMIC MODELS:input-output representation
MATHEMATICALMODEL
Input                output
40
 typical of automatic process control
  Roffel & Betlem, 2006
 Giua &Seatzu, “Analisidei sistemidinamici”, 2006
An input-output equation reveals the direct relationshipbetween the output variable desired, and the input variable.
This relationship often includes the derivatives of one orboth variables.
Even with higher order equation, the advantage is thatthe output variable is independent of (uncoupled from) anyother variables except the inputs.
INPUT-OUTPUT REPRESENTATIONVariables
41
Basic Automatic Controlprof. Guariso
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
input-output dynamic models
input-state-output dynamic modelsor state-space models
dynamic black box models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
42
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
DYNAMIC MODELS:input-state-output representation
MATHEMATICALMODEL
Input                state               output
43
 Giua &Seatzu,“Analisi deisistemidinamici”,2006
Behavioral models
  internal model of the process
 Roffel & Betlem, 2006
Intuitively, the state of system describes enoughabout the system to determine its future behavior.
Example 5WATER OPEN TANK
h(t)
IN :
STATE: h(t)
OUT :
44
VARIABLES
Initial Condition:    h(0) h0
State equation:
Output transformation:
ACC  =   IN       –   OUT
  see alsoEx. 6.1 pag. 118 and Ex. 6101 pag. 175in Stephanopoulos
An example of input-state-output dynamic model
Input-state-output model
Basic Automatic Controlprof. Guariso
45
Such memoryrequired to define the present-time condition of the system, is called the state of thesystem at the time instant when the input is applied.
The variables x(t) defining the state are called statevariables.
The state of dynamic system is such that theknowledge of the state variables at t0together withthe knowledge of the input variables for  t0,completely determines the behavior of the system forany time  t0.
State Variables
Quantities describing the present state of systemenough well to determine its future behavior.
They provide means to keep memory of theconsequences of the past inputs to the system.
They may be partly coincident with output variables.
The minimum number of state variables required torepresent given system, nis usually equal to theorder of the system's defining differential equation.
The choices for variables to include inthe state:
is highly dependent on the fidelity of themodel and the type of system
is not unique
as HINTthe state variables are often givenby the same variables appearing within theinitial conditions of the system’s ODEs
Basic Automatic Controlprof. Guariso
46
State Variables
Basic Automatic Controlprof. Guariso
47
STATE-SPACE MODELS
Basic Automatic Controlprof. Guariso
48
where:
The space spanned x(t) n is the state-space orphase-space
nN is the order or size of the model
The components of x(t) are termed phases
The function f:··n is termed vectorfield
Linear State-space Models.Terminology
49
is the state matrix [n·n]
is the input matrix [n·m]
is the ??? matrix [p·n]
is the ??? matrix [p·m]
is the time vector [n·1]
Initial Condition:
State equation:
Output
transformation:
A·x(t)
[n·n][n·1] = [n·1]
B·u(t)
[n·m][m·1] = [n·1]
v·t
[n·1][1·1] = [n·1]
First principle Models
 Basic models
 Models involving transportphenomena
 Models based on the “populationbalance approach
Empirical or “fitting models
Dynamic models
input-output dynamic models
state-space autonomous dynamicmodels
dynamic black box models
Time Series
Statistical models
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
50
  rielaborated from § 1.4 in Himmelblau D.M. Bischoff K.B.,Process Analysis and SimulationWiley Sons Inc., 1967
(on the base ofthe approach adopted for model development)
Autonomous System(definition based onthe input-state-output representation)
dynamical system is autonomous ifthe state not depending on input
OR
the input is constant with time.
adapted from notecontrolli_PRATTICHIZZO.pdf
NB:
For dynamic model described by asystem of ODEs, an autonomous systemis also time invariant
51
Autonomous System(definition based onthe shape of the vector field)
dynamical system is autonomous ifits vector field depends on the state x(t),but does not explicitly depend on time.
52
Examples of 2nd order systems:
Autonomous system      Non-autonomous system
withx(t)n
 +
ORBITS OR TRAJECTORIES OF A DYNAMIC SYSTEM
The forward orbit or trajectory of a statevariable x is the time-ordered collection of statesthat x follow from an initial state x0 using thesystem evolution rule.
When both state space and time are continuous,the forward orbit is a curve x(t) parametric in t≥0
Different initial states result in differenttrajectories
Example for a system of order n=2
53
x1
x2
x0=[x10, x20]
PHASE PORTRAIT
The set of of all trajectories plotted in thestate space forms the phase portrait of adynamical system.
It is parametric in time
in practice, only representative trajectories areconsidered, indicating the forward orientation byan arrow
the phase portrait is usually built by numericalmethods for nonlinear systems
The analysis of phase portraits provides anextremely useful way for visualizing andunderstanding qualitative features of solutions.
The phase portrait is particolarly useful for scalar(1st order) and planar systems (2nd order)
54
http://www.mathgrapher.com/images/phase01.gif
TRANSIENTS AND REGIMES
The orbits may have bounded orunbounded  asymptotic behavior (for t ± ).
If an orbit has bounded asymptoticbehavior for  the part of theorbit describing such an asymptoticbehavior is referred to as regime andthe remaining part is referred to astransient.
The simplest and most well knownregime (bounded) is the equilibriumpoint (steady-state point), which ispossible for every system order n
55
REGIMES
 
56
limit-cycle_stable(small).gif
STEADY STATE
57
Example:
Stable equilibrium point for a 2nd orderdynamical system
Orbit
Phase portrait
Equilibriumpoint
1D
2D
Time chart
or
Time trajectory
DYNAMIC REGIME
58
Example:
Stable periodic regime for a 2nd order dynamicalsystem
2D_limit-cycle.gif
Limit cycle
Phase portrait
1D
2D
Time chart
LIMIT CYCLE
Definition:
closed asymptotic orbit in the phase space thatresults in periodic oscillation of the statevariables (phases)with amplitude and frequencydepending on the properties of the non-lineardynamic system only and not on the chosen initialconditions.
 in order to have Limit Cycle as an asymptoticorbitthe non-linear dynamic (continuous time)system must be of order 2 at least.
 the Limit Cycle cannot exist as an asymptoticorbit for linear dynamic system.
59
LIMIT CYCLE
n = 2
60
2D_limit-cycle.gif
n = 3
2nd ORDER, NON-LINEAR,AUTONOMOUS SYSTEM
61
dx1/dt = f1(x1(t), x2(t))
dx2/dt = f2(x1(t), x2(t))
1st IC: x1(t0)=x10x2(t0)=x20
2nd IC: x1(t0)=x11x2(t0)=x21
Example of Phase Portrait
x1
x2
x0=[x10, x20]
x00=[x11, x21]
 THE DIABATIC CSTRExample No. 6
62
fig1
Tj
Tf
According to the 1st classification,
It is a “first principles” math model
An example of 2nd order, non-linear,autonomous system
AUTONOMOUS SYSTEM
 
63
SOLUTION OR BIFURCATIONDIAGRAM
64
solution diagram is a diagram in whichthe asymptotic regimes (at least the simplestof them) of a single state variable  arereported as a function of a single parameter.
Therefore this diagram allows to representthe possible regimes for each parametervalue.
Furthermore, it also shows the bifurcationvalues: in fact, they correspond to a changein type, number or stability of the asymptoticsolutions.
MATHEMATICAL MODELS4th CLASSIFICATION
(based on the type of description adoptedfor time as the independent variable)
 VALID for DYNAMICAL SYSTEMS only
1. continuous time models
2. discrete time models
65
CONTINUOUS-TIME SYSTEMS
The time changes continuously:
it is not possible to define minimumtime interval
it is always possible to consider asmaller time interval.
Accordingly, the theory of  continuous-time systems has been defined andstudied, where the variables of thesystem are continuous-time functions,that is, at every time instant tit ispossible to define and assign thevariable value.
Continuous-time systems:  
66
Ingresso            uscita
Input                               output
DISCRETE-TIME SYSTEMS
input – output representation
 
MATHEMATICALMODEL
67
input – state – output representation
 
MATHEMATICALMODEL
Ingresso            stato               uscita
Input                state               output
68
DISCRETE-TIME SYSTEMS
EXPLICIT TYPE
“IMPLICIT” TYPE
 
General representation
of input–state–output  discrete-time models
SCALAR SYSTEMS:x(k) is scalar variable
VECTOR SYSTEMS:x(k) is vector variable of size n
 deterministic system with discrete time isoften defined map.
MODEL ORDER
69
The order n is an integer number obtained asthe product between the size of the spacevector and the time gap in the implicitmodel representation.
 The time gap is the max time distance inthe implicit model representation
Example 1:
autonomous discrete-time system of order (scalarmodel)
Example 2:
autonomous discrete-time system of order (vectorialmodel)
FIXED POINTSfor autonomous systems  x(k+1) = f(x(k))
70
DEFINITION of fixed point:
x(k+1) = x(k)
  x(k) may be scalar or vector variable
The fixed points are determined as thesolutions of the algebraic eq. (scalar) orsystem of eqns.(vector):
x*= f (x*)
fixed point can be stable or unstable.
stable fixed point is an attractor forthe trajectories originating in areasonable neighborhood of it.
71
PERIODIC REGIMES
x(k+1) = f (x(k))
x(k+j)=x(k)
x(k+q)≠x(k)
with N   and   j
periodical regimes with period j
in an autonomous discrete-time model
x(k) =x(k+1) = f (x(k))
 The fixed point can be viewed as aperiodical regime with period “1”
k0 … … … k k+1 … k+q … k+j … … … k+2j 
ORBITS OR TRAJECTORIES
72
Example:
discrete-time, non-linear, autonomous model of order 2
fixedpoint
periodicregime
Phase Portrait
LOGISTIC MODEL
73
natural saturation level Nsat exists for thepopulation at which the growth rate becomes zero
Search for Equilibrium Points
LOGISTIC MAP
74
adimen-
siona-lization
discreti-zation
75
LOGISTIC MAP WITH 1 PARAMETER
x(k+1) = r [1 - x(k)] x(k)
x(k0) = x0
0 ≤ x(k) ≤ 1
x(k+1)→y x(k)→x
Parabola that is
passing through the origin
having vertical axis
having downward concavity
having vertex coordinates: (-b/2a; -Δ/4a)
Diagram  of Generalized Eq. f(x)
r = growth rate parameter
76
LOGISTIC MAP:Analytical determination of fixed points
x* = r x* (1 - x*)
       
1st solution2nd solution
x* = 0  x* ≠ 0
1 = r (1 - x*)
x* = 1 – 1/r
 x* only for r>1
77
inters.png
x(k+1)
x(k)
fixed points x*= (x*) by intersection
LOGISTIC MAP:Graphical determination of fixed pointsExample
Logistic map.: x(k+1)=3.55 x(k)(1-x(k))
Bisector of 1st quadrant: x(k+1) x(k) locus offixed points
COBWEB or STAIRCASECONSTRUCTIONExample
78
CobwebConstruction.gif
From Wikipedia, the free encyclopedia:http://en.wikipedia.org/wiki/Cobweb_plot
wikipedia
logistic map: x(k+1)= r x(k)(1-x(k))
bisector of 1st quadrant: x(k+1) = x(k)
initial condition: x0 = 0.08
r ≈ 2.6 (estimated)
79
THE LOGISTIC MAP IN MATLAB
Useful scripts:
cobweb.m
logistic_time_trajectory.m
logistic_solution_diagram.m
1)r=0.75;
2)r=1.5;
3)r=2.5;
4)r=3.2;
5)r=3.5;
6)r=3.55;
7)r=3.8;
8)r=3.83;
9)r=3.9
  try the script cobweb.m
with the following values for r:
LOGISTIC MAP
r=0.75x0=0.5
Cobweb
cobweb_r=0
vertex r/4
stable fixed point (“trivial solution0)
80
LOGISTIC MAP
r=1.5x0=0.05
Cobweb
cobweb_r=1
vertex r/4
stable fixed point (1 – 1/r)
81
LOGISTIC MAP
r=2.5x0=0.05
Cobweb
cobweb_r=2
vertex r/4
stable fixed point (1 – 1/r)
82
LOGISTIC MAP
83
Time Trajectories for r = 2.5
1) x0=0.05 (in blu)
2) x0=0.06 (in red)
LOGISTIC MAP
cobweb_r=3
trajectory_r=3
r=3.2x0=0.05
Cobweb (vertex r/4)
Time Trajectory
84
unstable fixed point (1 – 1/r)
period 2 dynamical regime: x0.513, 0.799
LOGISTIC MAP
cobweb_r=3
r=3.5x0=0.05
Cobweb (vertex r/4)
unstable fixed point (1 – 1/r)
period 4 dynamical regime
trajectory_r=3
Time Trajectory
85
periodic orbit for a map.gif
LOGISTIC MAP
86
unstable fixed point (1 – 1/r)
period 8 dynamical regime
cobweb_r=3.55_x0=0.36.png
r=3.55x0=0.36
Cobweb (vertex r/4)
trajectory_r=3.55_x0=0.36.png
Time Trajectory
cobweb_r=3
87
LOGISTIC MAP:switch to deterministic chaos
Cobweb: x0=0.05100 steps
Cobweb: x0=0.05100 steps
r=3.569945673
87
cobweb_r=3
r=3.569945671
LOGISTIC MAP
88
r=3.8  x0=0.17
Cobweb (vertex r/4)
chaotic solution(aperiodic dynamical regime)
cobweb_r=3.8_x0=0.17.png
trajectory_r=3.8_x0=0.18.png
Time Trajectory
LOGISTIC MAP:Deterministic caos
89
Time Trajectories for r=3.8:
1) x0=0.17 (in blu)
2) x0=0.18 (in red)
 sensible dependence from initialconditions
LOGISTIC MAP
90
r=3.83  x0=0.33
Cobweb (vertex r/4)
period 3
cobweb_r=3.83_x0=0.32.png
H:\Documenti condivisi\work...MatLab\esercitazioni TSPC 2009-2010\logistic map\trajectory_r=3.83_x0=0.95_step=200.jpg
LOGISTIC MAP
91
period 3
trajectory_r=3.83_x0=0.33.png
x0=0.95
Time Trajectories
r=3.83
x0=0.33
LOGISTIC MAP
cobweb_r=3
r=3.9x0=0.05
Cobweb (vertex r/4)
aperiodic Regime
trajectory_r=3
Time Trajectory
92
93
LOGISTIC MAP
Cobweb
x0=0.2
r =1  4
378px-LogisticCobwebChaos
From Wikipedia, the free encyclopedia:http://en.wikipedia.org/wiki/File:LogisticCobwebChaos.gif
wikipedia
LOGISTIC MAP:remarks on Fixed points
for 0 < r < 1 one fixed point x*=0 exists, i.e., theorigin, and is stable
for 1 < r < 3   two fixed points exist:one is unstable (x*=0) and the other one x*=(r-1)/ris stable
for r  > 3 the fixed point becomes unstable, but anew stable periodic regime arises with a period 2k andk ε N  (period doubling cascade)
the periodic regime holds up to a particular valuerc, = 3.569945672.., beyond which the map seems tooscillate among an infinite number of points withoutany regular law: deterministic chaos
for certain values r< r  < 4 there are still periodicwindows
94
a stable fixed point is referred to as attractor
a stable periodic regime is referred to as periodicattractor
solution_diagram_x0=0
95
solution_diagram_x0=0
LOGISTIC MAP.Solution diagram
x0=0.05
x0=0.3
95
96
LOGISTIC MAP:regime patterns
The table shows the type of cycles that can be observed and the valueof the growth parameter  r for which that cycle appears:
Notice that the period doubling happens faster and faster (8, 16, 32, ...)and then suddenly ends after the so-called accumulation point andchaos appears.
If we call rn+1 the value of r for which the 2n period becomes unstable andif we determine the limit, as n goes to infinity, of ( rn+1 - rn ) / ( rn+2 - rn+1 )we obtain a value of 4.66920160...
Surprisingly, that limit value is the same for all functions of this type ( 1Dmaps with only one quadratic maximum) which approach chaos byperiod doubling.
In fact, that value is one of the universal constants - the Feigenbaumconstant - approximately equal to 4.669. It was discovered byFeigenbaum in 1975 and it characterizes the transition to chaos.
n
2n
rn
1
2
3
2
4
3.449490
3
8
3.544090
4
16
3.564407
5
32
3.568750
6
64
3.56969
7
128
3.56989
8
256
3.569934
9
512
3.569943
10
1024
3.5699451
11
2048
3.569945557
infinity
accumulation point
3.569945672
Modelli “principi primi” (“First principle Models)
Modelli basati sul “bilancio di popolazione”
Modelli empirici di fitting
Dynamic models
input-output dynamic models
input-state-output dynamic models orstate-space models
dynamic black box models
Serie temporali
Modelli statistici
97
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
(on the base ofthe approach adopted for model development)
The model structures vary in complexity and order dependingon the flexibility you need to account for the dynamics and onpossible consideration of noise in your system.
The simplest black-box structures are:
1.Linear polynomial modelwhich is the simplest input-outputmodel (e.g., ARX model)
2.Transfer functionwith given number of adjustable polesand zeros.
3.State-space modelwith unknown system matriceswhichyou can estimate by specifying the number of model states
4.Non-linear parameterized functions
  y(t)+ {\alpha_1} y(t-1)+ ...+ {\alpha_n} y(t-n) = {\beta_0} u(t)+ {\beta_1} u(t-1)+...+ {\beta_n} u(t-n) \,
Black-Box Model Structures
98
Input                               output
 
BLACK BOX
MODEL
SYSTEM IDENTIFICATION
99
System identification is methodology for buildingmathematical models of dynamic systems usingmeasurements of the system's input and output signals/data.
The system identification methodology requires that you:
1.    Measure the input and output signals/data from yoursystem in time or frequency domain.
2.    Select model structure.
3.    Apply an estimation method to estimate value for theadjustable parameters in the candidate model structure.
4.    Evaluate the estimated model to see if the model isadequate for your application needs.
System identification uses the input and output signals youmeasure from system to estimate the values of adjustableparameters in given model structure.
Obtaining good model of your system depends on how wellyour measured data reflect the behavior of the system.
Documentation center
Dynamical modelingFinal Statement
100
way to distinguish the techniques usedwhen modeling dynamic processes is topicture them on scale with two extremes atthe ends:
at the one sideblack boxsystem identification
at the other sidetheoretical modeling orfirst principles modeling
MATHEMATICAL MODELS5th CLASSIFICATION
1.  ANALYTICAL SOLUTIONS DIFFERENTIAL CALCULUS
 ALGEBRA
 2. NUMERICAL SOLUTIONS NUMERICAL CALCULUS
Ex.: numerical methods for PDEs
1.FINITE DIFFERENCE METHODS(FDM)
2.FINITE ELEMENT METHODS (FEM)
3.COLLOCATION METHODS
101
(based on the type of mathematical solution,
with exclusion of empirical models)
Modelli “principi primi” (“First principleModels)
Modelli basati sul “bilancio dipopolazione”
Modelli empirici di fitting
Modelli dinamici
Modelli dinamici “con rappresentazioneingresso-uscita”
Modelli dinamici “con rappresentazionenello spazio di stato”
Modelli dinamici scatola nera (blackbox)
Time Series
Modelli statistici
102
MATHEMATICAL MODELS1st CLASSIFICATION
(on the base ofthe approach adopted for model development)
TIME SERIES:Definitions
time series is sequence of data points,measured typically at successive timesspaced at uniform time intervals.
Y1Y2,…, series of values measured orobserved for variable at successivetimes t1t2,…  which may be reported as asequence of integers 0, 1, 2, .
Anonymous
Values taken by variable over time (suchas daily sales revenue, weekly orders,monthly overheads, yearly income) andtabulated or plotted as chronologicallyordered numbers or data points.
 time series are NOT just data 
103
TIME SERIES:Examples
the daily closing value of the DowJones index
the annual flow volume of the NileRiver at Aswan
the sampled pressure measurementsin gas-phase chemical reactor
.
104