Estimação de estados de sistemas não lineares: abordagem robusta via métodos de otimização convexa

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Leonardo Amaral Mozelli
Luciano Antônio Frezzato Santos
Márcio Júnior Lacerda
Ricardo Coração de Leão Fontoura de Oliveira

Resumo

Enquanto a estimativa de estados de sistemas lineares possui abordagens bem estabelecidas na literatura, para os sistemas não lineares, diversas metodologias têm sido propostas de forma a superar as diversas dificuldades encontradas na obtenção de uma solução sub-ótima, de acordo com algum critério. Ao considerar uma modelagem convexa de não linearidades usando politopos, o Teorema do Valor Médio Diferencial (DMVT) ou técnicas de fatoração, é possível derivar condições baseadas em otimização convexa, por meio de Desigualdades Matriciais Lineares (LMIs), para atingir os objetivos do projeto. Nesse contexto, este trabalho visa desenvolver novas abordagens de estimação de estados para sistemas não lineares de tempo discreto ou contínuo que empregam condições LMI para a síntese de estimadores de estado. Mais especificamente, o presente trabalho propõe três novas metodologias baseadas nas etapas de predição e assimilação de dados do filtro de Kalman clássico. A primeira consiste numa abordagem de Filtro de Kalman de Covariância Garantida (GCKF), a segunda apresenta uma abordagem de filtro não linear que garante a robustez a sinais exógenos desconhecidos e, por fim, a terceira conta com um problema de otimização multiobjetivo, que garante a minimização da matriz de covariância do erro de estimativa e a robustez aos ruídos, indicados nas duas primeiras abordagens. Exemplos simulados são empregados para ilustrar e validar as metodologias propostas neste trabalho.

Abstract

While the state estimation for linear systems has well-established approaches in the literature, for nonlinear systems, several methodologies have been proposed to overcome the various difficulties encountered in obtaining a sub-optimal solution, according to some criterion. By considering a convex modeling of nonlinearities using polytopes, the Differential Mean Value Theorem (DMVT) or factorization techniques, it is possible to derive conditions based on convex optimization, through Linear Matrix Inequalities (LMIs), to achieve the project objectives. In this context, this work aims at developing new state estimation approaches for discrete-time or continuous-time nonlinear systems that employ LMI conditions for the synthesis of state estimators. More specifically, this work proposes three new methodologies based on the prediction and data assimilation steps of the classical Kalman filter. The first consists of a Guaranteed Covariance Kalman Filter (GCKF) approach, the second presents a nonlinear filter approach that guarantees robustness to unknown exogenous signals and, finally, the third solves a multiobjective optimization problem, which guarantees the minimization of the covariance matrix of the estimation error and robustness to noise, indicated in the first two approaches. Simulated examples are used to illustrate and validate the methodologies proposed in this work.

Assunto

Engenharia elétrica, Sistemas não lineares, Desigualdades matriciais lineares, Kalman, Filtragem de, Otimização

Palavras-chave

Sistemas não lineares, Filtro de Kalman, Covariância garantida, Robustez aos ruídos, Desigualdades matriciais lineares

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