基于贝叶斯理论FIR状态估计器的设计与分析
批准号:
61973136
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
赵顺毅
依托单位:
学科分类:
控制理论与技术
结题年份:
2023
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵顺毅
中文摘要
长期以来,状态估计算法的设计主要以全时域下的卡尔曼滤波及贝叶斯理论为基础,极少考虑有限时域下状态估计器的设计与分析。现有成果已经表明,相对于全时域、全信息策略,有限时域、局部信息策略下的有限脉冲响应(Finite impulse response, FIR)估计能够对模型参数不确定性、相关噪声统计误差、外界干扰及参数突变等展现出较强的鲁棒性。然而,由于其发展时间较短,现有FIR估计的理论框架并不完善且缺乏面向工程实际的设计。本项目将贝叶斯理论引入到有限时域估计内,围绕实际过程中常见的复杂动态及相关特定需求开展FIR状态估计研究。首先在FIR结构下考虑贝叶斯估计的实现及估计区间的初始化问题,为后续研究作铺垫。进一步,给出快速FIR估计的构建与分析,设计匹配不同概率分布的FIR滤波器,拓展适用范围。最后,在有限估计区间内尝试模型关键参数和系统状态的一体化估计,为实际应用提供工具。
英文摘要
Most of the existing state estimation algorithms have been constructed based on the Kalman filter and Bayesian theory for a long time, and there are few methods for the design and analysis of state estimators in a finite horizon. The existing results have shown that, compared with the full-information strategy, the finite impulse response (FIR) state estimator operating with partial observations can exhibit better robustness against modeling uncertainties, errors of noise statistics, external disturbances, and abrupt change of parameters. Since it is only developed for a short period, the theoretical framework of FIR estimation is far from perfect and there is a lack of practice-oriented designs. In this project, the Bayesian theory is introduced into the finite-horizon estimation, and studies of FIR state estimation are conducted with the purpose of handling some complex features of the practical process and meeting specific requirements. Accordingly, we first consider the realization of the Bayesian theory under the framework of FIR estimation as well as the corresponding initialization approaches, paving the way for further research. To obtain a more extensive scope of applications, the design of fast FIR estimation is proposed, and the FIR filters under different probability distributions are also derived. Finally, we attempt to make an integrated estimation of critical modeling parameters and system states in a finite-horizon manner, which provides tools for practical applications.
由于技术、经济及运行条件等诸多因素的限制,现代流程工业中除温度、压力、流量等常规易检测变量外,存在大量过程变量无法通过在线传感器对其进行直接测量。因此,如何在现有观测信息的基础上通过状态估计手段精确可靠地获取系统状态的估计值尤显重要。本项目首先在有限脉冲响应结构下考虑贝叶斯估计的实现及估计区间的初始化问题,为后续研究作铺垫。进一步,给出快速有限脉冲响应估计的构建与分析,设计匹配不同概率分布的有限脉冲响应估计滤波器,拓展适用范围。最后,在有限估计区间内尝试模型关键参数和系统状态的一体化估计,为实际应用提供工具。针对上述研究内容,本项目解决了如何如何描述初始分布对区间内各估计值的影响、如何在有限时域内打破、替代不同时刻状态间及同一时刻不同状态分量间的相互关联以及在有限域内求解系统状态后验分布或状态与模型参数联合后验分布的近似闭合解这三个关键问题。研究成果给出了贝叶斯估计在有限估计区间内的实现,得到了其与全时域贝叶斯序贯滤波的区别和统一,提炼了有限脉冲响应迭代结构的一般化解,给出了初始条件对后续估计值的影响,提出了在运算的思路及关键量测的提取方法,设计了有限脉冲响应估计在相关分布下的线性与非线性实现,构建了部分关键模型参数在有限时域下的联合估计,实现了系统状态与部分关键模型参数在有限时域下的联合估计。研究成果被成功应用于地下顶管过程的实时导向系统中,对比基于卡尔曼滤波对顶管机姿态、位置的解算,所提算法极大提高了估计精度及其稳定性。在本项目资助下,发表高水平学术论文20篇,授权发明专利2项,培养博士研究生4名,硕士研究生3名。项目负责人在项目执行期间入选国家高层次人才支持计划。项目整体执行顺利,已按原计划超额完成相关科研任务。
基于有限脉冲响应结构的随机动态系统迁移状态估计
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批准号:62373167
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:赵顺毅
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依托单位:
有限脉冲响应结构下离散随机动态过程的状态估计
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批准号:61603155
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2016
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负责人:赵顺毅
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依托单位:
国内基金
海外基金