面向信息物理系统状态估计非线性滤波方法研究

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针对传输网络的丢包、信道衰落与信道容量限制影响信息物理系统状态估计滤波器精度与稳定性的问题,开展传输网络数据丢包与信道衰落下非线性滤波问题的研究,并针对传输网络容量有限对滤波器的限制开展非线性事件驱动滤波器的设计。针对传输网络数据丢包引发滤波不稳定性的问题,开展数据丢包下间断观测EKF研究并对其滤波随机稳定性分析。首先,针对传输网络数据丢包服从Bernoulli过程下间断观测EKF,通过随机Lyapunov方法证明了间断观测EKF方差矩阵随机有界的充分条件并推导了临界到达概率。其次,针对方差矩阵不足以评价非线性滤波器滤波稳定性的问题,在间断观测EKF方差矩阵随机有界的基础上,利用不动点定理开展间断观测EKF滤波误差均值有界性分析。针对传输网络同时存在丢包和信道衰落的问题,开展了适应丢包和衰落的修正EKF滤波器研究并分析其随机稳定性。首先,基于弱信号处理策略设计修正EKF滤波器以减少信道衰落对滤波器的影响。其次,在系统满足一致可观的前提下推导了保证修正EKF方差矩阵随机有界的临界到达概率。再次,通过随机Ricatti方程和指数积分不等式求取方差矩阵的均值上界。最后,在方差矩阵的均值上界的基础上进行修正EKF滤波误差有界性进行分析,给出了全部由离线参数组成的修正EKF滤波误差均值有界的充分条件。针对传输网络信道容量受限的问题,开展非线性系统事件驱动EKF滤波器设计。首先,提出了基于先验预估与观测值之间“新息”的驱动策略,使得仅有对滤波器影响较大的观测值被驱动至传输网络从而降低传输信息量。其次,在EKF的基础上设计事件驱动EKF滤波算法,通过将事件驱动策略中包含的驱动信息应用于未接收到观测数据时刻的滤波迭代状态更新过程中从而提升滤波精度。最后,以IEEE-39bus标准模型为基础,通过节点动态模型与潮流计算搭建智能电网动态状态估计仿真验证平台,并验证事件驱动EKF滤波器的性能。针对传输网络信道容量受限且要求到达率保持一致的问题,开展基于Monte Carlo方法高滤波精度事件驱动粒子滤波器设计。首先,以额外产生新息粒子的Monte Carlo方法预测观测值分布,动态计算触发门限以保证到达率都满足设计要求。其次,通过将触发策略得到的触发集合转化为对滤波系统的状态约束,结合受限贝叶斯状态估计理论,利用驱动策略信息进一步提升滤波精度。最后,通过IEEE-39bus仿真验证平台验证事件驱动粒子滤波器滤波精度和到达率保持。针对信息物理系统状态估计不但要考虑传输网络信道容量限制而且要物理系统节点计算能力限制的问题,开展了主从架构事件驱动非线性滤波器设计。首先针对信息物理系统不同部分计算能力的差异设计主从架构事件驱动滤波器的结构,利用计算量较低的从滤波器降低物理系统节点中驱动策略的计算量,并利用高精度的主滤波器提供高精度滤波结果。其次,设计事件驱动UKF作为从滤波器。再次,基于Monte Carlo方法设计高精度的主滤波器,并设计主从滤波器协同算法。最后,通过IEEE-39bus仿真验证平台验证主从架构事件驱动非线性滤波器性能。
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