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11 状态空间模型和卡尔曼滤波,11.1 状态空间模型 11.2 卡尔曼滤波 11.3 方法评价,回总目录,一、状态空间模型简述 状态空间模型是动态时域模型,以隐含着的时间为自变量。状态空间模型包括两个模型:一是状态方程模型,反映动态系统在输入变量作用下在某时刻所转移到的状态;二是输出或量测方程模型,它将系统在某时刻的输出和系统的状态及输入变量联系起来。,回总目录,回本章目录,状态空间模型分类 状态空间模型按所受影响因素的不同分为: (1)确定性状态空间模型 (2)随机性状态空间模型 状态空间模型按数值形式分为: (1)离散空间状态模型 (2)连续空间状态模型,回总目录,回本章目录,状态空间模型按所描述的动态系统可以分为: (1)线性的与非线性的 (2)时变的与时不变的,回总目录,回本章目录,二、系统的状态空间 离散事件随机性系统的概念是系统理论中最基本的概念。 离散事件随机性系统的状态,是指系统内部的可能运动状态和可能储能状态。系统在k=k0时刻的状态,是在kk0时的外部行为。,回总目录,回本章目录,用随机向量序列来描述系统在任一时刻的状态向量,称为状态向量法,也称为状态空间法。状态向量表示为: 其中 (k=1,2,1,n)为第i个状态向量。,回总目录,回本章目录,三、系统的输入输出 输入输出状态概念 引入状态向量是为了对系统内部结构进行 数学描述,但在许多情况下,系统的状态是无 法直接量测到的,有时甚至全部不能量测到。 在实际工作中,能量测到的量之势系统的输入与输出。,回总目录,回本章目录,输入输出变量表示 系统的输入也是随时间而变的一组变量,表示为: 称为输入向量,其分量 (i=1,2,r)称为输入变量。,回总目录,回本章目录,输入输出变量表示 系统所受的随机干扰也是随时间而变的一组变量,表示为: 称为系统的动态模型噪声,它是系统的一种特殊输入向量。,回总目录,回本章目录,输入输出变量表示 系统的输出也是随时间而变的一组变量,表示为: 称为输出向量,其分量 (i=1,2,m)称为输入变量。,回总目录,回本章目录,输入输出变量表示 量测系统也会受到随机噪声的污染,表示为: 称为系统的量测噪声。,回总目录,回本章目录,四、状态空间模型 状态空间模型定义 状态空间模型是描述动态系统的完整模型,它表达了由于输入引起系统内部状态的变化,并由此使输出发生的变化。 状态空间模型的不同形式 如,线性时不变模型的状态方程可表示为: 输出方程为:,回总目录,回本章目录,五、状态空间模型的建立 例 题 例 1 某养鱼场为了反映池塘鱼种的变化,请你帮助建立状态空间模型。 解答: (1)取状态向量X(k)为k时刻3个鱼种的数量: 输入向量为:,回总目录,回本章目录,(2)状态转移矩阵 式中: p1,p2,p3为鲫鱼、青鱼和鲤鱼的生长率,这里为p1=0.1,p2=0.13,p3=0.08。 (3)输入矩阵仍定为常阵,回总目录,回本章目录,(4)输出矩阵或预测矩阵C为33维单位阵, 这样输出向量或量测向量就等同于状态向量,状态空间模型: 即:,回总目录,回本章目录,11.2 卡 尔 曼 滤 波,一、卡尔曼滤波的意义 卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量。它以“预测实测修正”的顺序递推,根据系统的量测值来消除随机干扰,再现系统的状态,或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目。,回总目录,回本章目录,二、卡尔曼滤波的形式 模型要求 卡尔曼滤波要求模型已知。即模型的结构与参数已知,且随机向量的统计特征已知。 卡尔曼滤波分类 记 的向量函数: 为状态X(k)的估计量,分三种情况: 当kj时,称为预测; 当k=j时,称为滤波; 当kj时,称为平滑。,回总目录,回本章目录,三、卡尔曼滤波特点 卡尔曼滤波是解决状态空间模型估计与预测的有力工具之一,它不需存储历史数据,且可以同过计算机程序到达对状态空间模型的优化拟合。,回总目录,回本章目录,11.3 方 法 评 价,一、状态空间的特点 1、状态空间模型不仅能反映系统内部状态,而 且能揭示系统内部状态与外部的输入和输出 变量的联系。 2、状态空间模型将多个变量时间序列处理为向 量时间序列,这种从变量到向量的转变更适 合解决多输入输出变量情况下的建模问题。 3、状态空间模型能够用现在和过去的最小信 息形式描述系统的状态,因此,它不需要大 量的历史数据资料,既省时又省力。,回总目录,回本章目录,二、
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