一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法，该方法包括：系统状态空间模型建立，并在其中引入轮询调度下信号传输规律；根据调度规律建立对应的信号传输和接收侧更新模型；然后，基于全信息构造对应的成本函数，并通过递推计算得到关键变量的值，所述全信息是指初始时刻到当前时刻收集到的所有测量信号；基于得到的关键变量，可以直接计算得到对应全信息递推状态估计器的估计值。本方法由于采用了全信息作为估计器的信息基础，估计效果较好，且由于关键变量采用递推计算的方式，保证了算法的可执行性和运算效率。

A recursive state estimation method for time-varying systems based on full information filtering

【技术实现步骤摘要】
一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法
本专利技术属于状态估计
，尤其是涉及一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法。
技术介绍
状态估计是控制理论的基本研究课题之一，尤其时变系统的递推状态估计在工业领域得到了广泛的应用。状态估计的基本思想是根据收到的系统输出信号，构造出对系统内部状态的估计值。不言而喻，状态估计技术在工业生产中起着重要的作用，并且许多研究及生产实践证明，状态估计技术具有重要的现实意义。在实际工业应用中，系统中的信息交互大多基于通信网络实现。基于网络的通信方式拥有许多有点，包括低成本、易维护、高可靠性等。然而，网络化通信也带来了一些新问题，其中最为重要的问题称为数据冲突，即同一时间多个通讯端同时发起通信任务，使得发送的数据产生冲突，影响通信过程可靠性。为解决这一问题，网络化通信通常按照一定的调度规则来安排通信过程，轮询调度为工业中应用广泛的方式之一。另一方面，由于状态估计技术是基于得到的系统输出信号而开发的，理论上说，使用更多的系统输出信号将会提高状态估计的精度。全信息技术就是将从初始时刻到当前时刻所有的输出信号均用来做状态估计。显然，基于全信息技术的状态估计方法能有效的改进估计性能。基于上述情况，为满足实际工业应用需求，亟需一种基于全信息技术解决一类轮询调度下的时变系统的状态估计方法，即针对轮询调度下时变系统开发一类递推全信息状态估计方法，用于实时检测工业系统的运行状态并为系统控制提供基础。
技术实现思路
本专利技术为解决现有递推状态估计无法处理轮询调度下的时变系统，且基于局部信息无法得到精准的状态估计值的问题，提出了一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法。为达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：该方法具体步骤包括：步骤S101，系统状态空间模型建立：建立时变系统的状态空间模型式中，为k时刻时变系统的状态变量，为k时刻传感器测量输出信号，和分别为过程噪声和测量噪声，、、均为系统时变矩阵。步骤S102，建立轮询调度下信号传输模型：设系统共有M个传感器节点，则可根据传感器节点分布将测量信号表示为以下形式：，其中表示第i个传感器节点在k时刻的测量输出信号。在轮询调度下，k时刻获得通信权限的传感器节点为。令估计器接收侧收到的测量输出信号为。在轮询调度规则下，接收侧信号更新规则为：步骤S103，根据接收侧信号，构造成本函数，并递推计算中间变量和：成本函数表达式如下：设定成本函数的权重参数及，定义初始变量如下根据时刻k，通过以下公式递推计算和步骤S104，根据计算得到的中间变量，计算状态估计值：基于全信息的状态估计器则为以下形式：根据中间变量和的值，可以得到全信息状态估计器的估计值。与现有的技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的状态估计方法同时考虑了网络化通讯的信号调度过程（即轮询调度）和系统的时变特性，利用全信息技术和递推求解技术，在确保计算负荷的情形下得到了拥有较高精度的状态估计值。与基于局部信息的状态估计方法相比，本方法估计效果更好，更能满足实际工业的应用需求。附图说明图1为本专利技术所述方法流程图；图2是实际状态轨迹和及其状态估计轨迹对比图，图中实线为实际状态轨迹，虚线为状态估计轨迹；图3是实际状态轨迹和及其状态估计轨迹对比图，图中实线为实际状态轨迹，虚线为状态估计轨迹；图4是实际状态估计误差范数的轨迹图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本专利技术中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。本专利技术旨在提供一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法。该方法的具体流程图如图1所示。其中，一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法流程包括：步骤S101，系统状态空间模型建立：其中，为k时刻时变系统的状态变量（待估计变量），为k时刻传感器测量输出信号，和分别为过程噪声和测量噪声（此两类噪声均为有界噪声），、、均为已知取值的系统时变矩阵。若原系统为连续时间域的微分方程模型，即定义系统转移矩阵为则离散化后对应的系统矩阵通过以下公式计算：步骤S102，建立轮询调度下信号传输模型：设系统共有M个传感器节点，则可根据传感器节点分布将测量信号表示为以下形式：，其中表示第i个传感器节点在k时刻的测量输出信号。在轮询调度下，k时刻获得通信权限的传感器节点为，其中为求余函数。令估计器接收侧收到的测量输出信号为。根据对应的形式，将表达为以下形式：。在轮询调度规则下，每一部分的更新律为以下形式：定义轮询周期函数为，其中为克罗内克δ函数。在轮询调度规则下，接收侧信号更新规则为：步骤S103，根据接收侧信号，构造成本函数，并递推计算中间变量和：成本函数表达式为：其中，变量和受以下约束：该问题的理论解析解为以下形式：以上解析计算式中，有两项计算量会累积增加，即和。为了在计算机上得到可执行的估计器算法，需要用有效的方法来计算这两部分值。定义和，则可通过如下公式递推计算得到变量和的值，其中步骤S104，根据计算得到的中间变量，计算状态估计值：显然，基于计算得到的和的值，全信息递推状态估计器的表达式可如下计算得到：虽然本专利技术所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本专利技术而采用的实施方式，并非用以限定本专利技术。任何本专利技术所属领域内的技术人员，在不脱离本专利技术所揭露的精神和范围前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本专利技术的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法，包括以下步骤：/n步骤S101，建立系统状态空间模型：/n步骤S102，建立轮询调度下信号传输模型；/n步骤S103，根据接收侧信号，构造成本函数，并递推计算中间变量

【技术特征摘要】
1.一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法，包括以下步骤：
步骤S101，建立系统状态空间模型：
步骤S102，建立轮询调度下信号传输模型；
步骤S103，根据接收侧信号，构造成本函数，并递推计算中间变量和；
步骤S104，根据计算得到的中间变量，计算状态估计值。


2.根据权利要求1所述的一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法，其特征在于，所述步骤S101，系统状态空间模型建立：
建立时变系统的状态空间模型



式中，为k时刻时变系统的状态变量，为k时刻传感器测量输出信号，和分别为过
程噪声和测量噪声，、、均为系统时变矩阵。


3.根据权利要求1所述的一种基于全信息滤波技术的时变系统递推状态估计方法，其特征在于，所述步骤S102，建立轮询调度下信号传输模型：
设系统共有M个传感器节点，则可根据传感器节点分布将测量信号表示为以下形式：，其中表...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹磊，王子栋，宋保业，赵忠义，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37