научная статья по теме ОБ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДАХ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «ОБ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДАХ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

Автоматика и телемеханика, № 6, 2012

Стохастические системы, системы массового обслуживания

© 2012 г. Ю.В. ЦЫГАНОВА, канд. физ.-мат. наук (Ульяновский государственный университет), М.В. КУЛИКОВА, канд. физ.-мат. наук (Технический университет г. Лиссабона, Португалия)

ОБ ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДАХ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ1

Построен численно устойчивый по отношению к ошибкам машинного округления алгоритм адаптивной калмановской фильтрации с целью решения задачи параметрической идентификации линейных стационарных стохастических дискретных систем. Решение поставленной задачи осуществляется в пространстве состояний. Предложенный алгоритм сформулирован в терминах ортогонального квадратно-корневого ковариационного фильтра, что позволяет избежать применения стандартной реализации фильтра Калмана.

1. Введение

Рассматривается задача построения численно устойчивых методов адаптивной калмановской фильтрации с целью решения задачи параметрической идентификации линейных стационарных стохастических систем в дискретном времени. Проблема идентификации математических моделей является одной из основных проблем теории и практики автоматического управления. При практической реализации часто используются градиентные методы оптимизации или методы ньютоновского типа, которые требуют, в свою очередь, вычисления градиентов функционалов качества идентификации и, возможно, элементов информационной матрицы Фишера [1-4 и др.]. Нахождение указанных величин и разработка численно устойчивых методов их вычисления для практического использования представляет определённую проблему и заслуживает отдельного рассмотрения.

Методы вычисления, предложенные ранее, основаны на применении стандартной реализации фильтра Калмана (КФ), которая не устойчива по отношению к ошибкам округления (см., например, обсуждение в [5-7] и многие

1 Второй автор благодарит португальский фонд науки и технологии (Fundagao para a Ciencia e a Tecnologia) при софинансировании европейского фонда FEDER за оказанную финансовую поддержку (грант No. SFRH/BPD/64397/2009).

другие). Влияние ошибок округления и их накопление настолько велико, что зачастую приводит к неправдоподобным оценкам и тем самым ставит под сомнение любые полученные результаты, сводя на нет всю предыдущую и последующую работу экспериментатора.

Отметим, что уже с момента открытия техники калмановской фильтрации в начале 1960-х гг. развитие численно устойчивых реализаций является одним из важнейших направлений в данной области исследований. Основная проблема стандартной реализации КФ заключается в возможной потере (из-за ошибок округления) ковариационной матрицей ошибки оценивания Рг своего специального вида: симметричности и положительной определённости. Последнее свойство наиболее сложно проверить на практике. Чтобы избежать подобного недостатка, вскоре был разработан класс квадратно-корневых методов фильтрации, который основан на обновлении разностного уравнения Риккати в терминах треугольных матриц (полученных из матрицы ковариа-ции с помощью разложения Холецкого, например, Рг = , где - нижняя треугольная матрица). До середины 1970-х гг. было разработано достаточно большое количество алгоритмов этого типа; см. [8-10] и многие другие. Было показано, что квадратно-корневые алгоритмы КФ позволяют обрабатывать данные с двойной точностью, однако их вычислительная сложность чуть выше, чем у стандартной реализации фильтра. Из класса квадратно-корневых методов следует также выделить иО-фильтр Бирмана, который является их модификацией [11]. Он предполагает разложение матрицы ковариации в виде Рг = итОгиг, т.е. на нижнюю треугольную, диагональную и верхнюю треугольную. Класс иО-реализаций Бирмана обеспечивает такую же точность вычислений, как и все квадратно-корневые методы, но при этом позволяет сократить затраты машинного времени и избавляет от необходимости использовать операцию извлечения квадратного корня.

Другим важным этапом в развитии эффективных алгоритмов КФ явилась разработка быстрых алгоритмов фильтрации Чандрасекара2. Алгоритмы данного типа были направлены на решение ещё одной важной задачи - сокращение вычислительной сложности КФ. Хорошо известно, что обновление матрицы ковариации Рг в соответствии с разностным уравнением Риккати требует 0(п3) операций, где п - размерность вектора состояния системы [7]. Это условие верно как для стационарных систем, так и нестационарных. Однако исследования показали, что в случае стационарных систем (и в ряде других важных случаев) сложность алгоритма может быть существенно сокращена, а именно, до 0(п2а), где а - ранг матрицы 5Р0 = Р\ — Р0; см. подробно в [12-15]. Таким образом, суть быстрых алгоритмов фильтрации заключается в обновлении на каждом шаге рекурсии матриц 5Рг = Рг+\ — Рг вместо Рг. Для стационарных систем ранг 5Рг зачастую существенно меньше, чем ранг полной матрицы ковариации Рг. Подобная переформулировка уже не требует обновления разностного уравнения Риккати и основана на обновлении уравнения Чандрасекара, что и дало название данному классу алгоритмов.

2 От англ.: fast Chandrasekhar-type algorithms. Полное название данных методов Chandrasekhar-Kailath-Morf-Sidhu алгоритмы [7].

2* 35

В настоящей работе будут рассмотрены самые современные и перспективные реализации дискретного КФ, которые являются наиболее предпочтительными к использованию на практике. Это класс ортогональных квадратно-корневых алгоритмов фильтрации (ОККФ-алгоритмы)3. Суть этих методов заключается в формировании блочной матрицы A, содержащей в себе всю необходимую для данного этапа фильтрации информацию, и последующем её приведении к требуемому нижнему или верхнему треугольному виду, т.е. весь алгоритм фильтрации записывается одним уравнением вида: QA = = R (см., например, [16]). Подобная переформулировка даёт ряд преимуществ. Во-первых, как и все квадратно-корневые методы, ОККФ-алгоритмы позволяют обрабатывать данные с двойной точностью. Во-вторых, дополнительно используют численно устойчивые ортогональные преобразования на каждом шаге рекурсии. В-третьих, использование ортогональных преобразований также позволяет гарантировать сохранение специального верхнего/нижнего треугольного вида матриц, являющихся квадратными корнями St матриц ковариации Pt. Стандартные квадратно-корневые алгоритмы не обладают этим свойством. В-четвертых, обобщенные ОККФ-алгоритмы позволяют избежать ресурсоемких и менее устойчивых к ошибкам округления операций обращения матриц, которые неизменно присутствуют в стандартной реализации КФ. В теории калмановской фильтрации подобный эффект достигается с помощью дополнительной модификации стандартного КФ, позволяющего поэлементную обработку вектора наблюдений. Тот же принцип рекуррентного обращения матриц используется в алгоритмах для решения линейных задач методом наименьших квадратов [17]. И наконец, необходимо отметить, что на современном этапе развития предпочтение отдается алгоритмам, ориентированным на параллельные вычисления. ОККФ-алгоритмы относятся к этому типу в силу своей простой и компактной записи этапов фильтрации; см., например, [18] и др. В своей книге Т. Кайлат и соавторы пишут [7, с. 428]:

«Подобные ортогональные реализации фильтра часто намного проще описать и реализовать (как на программном, так и на физическом уровне), чем систему явных уравнений (КФ). Эти реализации становятся основными методами во многих приложениях»4.

В настоящее время интенсивно разрабатываются методы решения задачи H^-оценивания. Стоит отметить, что для построения алгоритмов H^-фильтрации отбираются самые перспективные идеи, разработанные ранее для реализации дискретного КФ, т.е. для решения задачи H2-оценивания. Современные H^-алгоритмы основаны на синтезе двух основных направлений: класса ОККФ алгоритмов, рассматриваемых в данной работе, и класса быстрых КФ алгоритмов. Таким образом, в них комбинируются [19]: 1) устойчивость по отношению к ошибкам округления и удобство записи алгоритма, в том числе ориентированность на параллельные вычисления, которые присущи всем ОККФ методам, и 2) существенное сокращение вычислительной сложности алгоритма, которая характерна для быстрых реализаций КФ.

3 От англ.: array square-root algorithms for Kalman filtering.

4 Перевод авторов.

Вместе с тем в отечественной научной литературе эти современные направления освещены не достаточно широко.

Целью настоящей работы является построение численно устойчивых (по отношению к ошибкам округления) алгоритмов для вычисления градиентов функционалов качества идентификации и элементов информационной матрицы Фишера. Задачу параметрической идентификации системы будем решать методами максимума правдоподобия и наименьших квадратов. Решение осуществляется в терминах ортогонального квадратно-корневого ковариационного фильтра. В данной работе предполагается, что неизвестные системные параметры, подлежащие оцениванию, могут входить в любые матрицы-параметры математической модели и начальные условия в различных комбинациях. Следует отметить, что здесь не решается близкая задача - неробаст-ность КФ к малым ошибкам в задании параметров и их влияние на качество полученных оценок; см., например, [20]. Эта проблема остаётся актуальной и требует отдельного глубокого изучения.

2. Постановка задачи

Рассмотрим источник данных в виде стохастической линейной дискретной системы

(1) хт = Ф(в)хг + Ф(в)и + Г(в)тг,

(2) ъ+1 = И (в)х+ + ь+г, I = 0,...,Ы — I,

где хг - п-мерный вектор состояния системы, иг - детерминированный г-мер-ный вектор управления, - т-мерный вектор измерения, {то,тг,...} и {ь1 ,ь2,...} - ^-мерная и т-мерная последовательности нормально распределённых случайных векторов с нулевыми математическими ожиданиями и ковариационными матрицами Q(в) ^ 0 и Я(в) > 0 соответственно. При этом выполняется следующее условие:

(3)

Е

■к Ьк

[

т „т

Q(в) 0 0 Е(в)

5кз

где 5к] - символ Кронекера.

Последовательности также не зависят от случайного начального со-

стояния системы хо с математическим ожиданием Хо(в) и ковариационной матрицей Ро(в) > 0. Предположим, что

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком