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Type: Tese de Doutorado
Title: State estimation of hybrid dynamic systems with Markov jumps and state constraints
Authors: Wendy Yadira Eras Herrera
First Advisor: Bruno Otávio Soares Teixeira
First Co-advisor: Alexandre Rodrigues Mesquita
First Referee: Leonardo Antonio Borges Torres
Second Referee: Eduardo Mazoni Andrade Marcal Mendes
Third Referee: Geovany Araújo Borges
metadata.dc.contributor.referee4: Alessandro do Nascimento Vargas
Abstract: Em algumas aplicações de estimação de estados, o sistema dinâmico pode ser representado por um modelo híbrido que é determinado pela interação entre estados analógicos e digitais (modos de operação). O problema de filtragem estocástica híbrida consiste em fornecer estimativas para ambos estados analógicos e digitais a partir de uma sequência de medições amostradas ruidosas e um modelo híbrido. Para esses sistemas, o filtro deve rastrear um número exponencialmente crescente de trajetórias possíveis, o que configura um desafio prático para resolver esse problema. Portanto, soluções aproximadas são comumente buscadas, procurando um compromisso entre precisão e tempo de processamento do filtro. Neste trabalho, investigam-se duas questões relacionadas à estimatição de estados de sistemas híbridos. Primeiro, apresenta-se uma versão modificada do algoritmo de múltiplos modelos e múltiplas hipóteses (M3H) para resolver de forma sub-ótima o problema de estimação de estado para sistemas não lineares com saltos Markovianos. Empregam-se métodos de redução de misturas Gaussianas como uma alternativa para a fusão de hipóteses do M3H clássico. Portanto, informações de ambos os estados analógicos e digitais são empregadas para fundir as hipóteses, enquanto que apenas a informação do estado digital é empregada no método original. Como contribuição, a abordagem proposta fornece um mecanismo eficaz para que os usuários explorem o compromisso entre precisão e tempo de processamento do filtro. Os usuários estabelecem suas preferências definindo o número máximo de componentes da mistura. A sintonia desse parâmetro na abordagem proposta é mais eficiente do que escolher a vii profundidade de fusão no M3H quando melhoria de precisão é requerida. Em segundo lugar, considera-se o problema de estimação de estados para sistemas híbridos com restrições de igualdade nos estados. Investigam-se casos especiais desse problema para ambos sistemas lineares e não-lineares. Categoriza-se tal problema em três grupos de acordo com a restrição de igualdade linear ou não linear, bem como com a dependência da restrição no modo de operação. Para o caso de restrições de igualdade independentes do modo, apresentam-se as condições necessárias na inicialização e dinâmica para o clássico algoritmo de múltiplos modelos interativos (IMM) para produzir estimativas de estado satisfazendo uma restrição de igualdade linear para sistemas lineares. No entanto, para sistemas lineares e não-lineares, as restrições de igualdade dependentes do modo devem ser reforçadas ao longo do tempo. Apresentase uma versão modificada do filtro IMM para impor a restrição de igualdade nas estimativas de estado.
Abstract: In some state estimation applications, the dynamic system can be represented by a hybrid model that is determined by the interaction between analog and digital (mode) states. The hybrid stochastic filtering problem is to provide estimates for both analog and digital states from a sequence of noisy sample measurements and such hybrid model. For these systems, the filter should track an exponentially increasing number of possible trajectories, posing a practical challenge to solve this problem. Therefore, approximate solutions are often pursued, trading off the filter precision for processing time. In this work, we investigate two issues related to the state estimation of hybrid systems. First, we present a modified version of the multiple models and multiple hypotheses (M3H) algorithm to suboptimally solve the problem of state estimation for Markov jump nonlinear systems. We employ Gaussian mixture reduction methods as an alternative for the merging of hypotheses of the original M3H. Thus, information from both the analog and digital states are employed to merge the hypotheses, while only information from the digital state is employed in the original M3H method. As a contribution, the proposed approach provides an effective mechanism for users to explore the tradeoff between filter precision and processing time. Users set their preferences by defining the maximum number of mixture components. Setting this number in our proposed approach is more efficient than choosing the merging depth in M3H when increased precision is demanded. Second, we consider the problem of state estimation for hybrid systems with state ix equality constraints. We investigate special cases of this problem for both linear and nonlinear systems. We categorize such a problem into three groups according to the linear or nonlinear equality constraint as well as to the dependence of the constraint on the operating mode. For the mode-independent equality constraints case, we present the necessary conditions on the initialization and dynamics for the classical interacting multiple models (IMM) algorithm to yield state estimates satisfying a linear equality constraint for linear systems. However, for linear and nonlinear systems, the modedependent equality constraints must be enforced along time. We present a modified version of the IMM filter to enforce the equality constraint on the state estimates.
Subject: Engenharia elétrica
Markov, Processos de
Processo estocástico
Teoria da estimativa
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BCZJL7
Issue Date: 28-Feb-2018
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