本书系统地阐述了最优状态估计与系统辨识的基本概念、基本理论和基本方法。全书共分两篇14章:第一篇(1—6章)为最优状态估计,分别介绍了最优估计的基本概念、线性系统的卡尔曼滤波、最优线性平滑、卡尔曼滤波的稳定性、滤波的发散及其克服方法、非线性滤波。第二篇(7~14章)为系统辨识,分别介绍了系统辨识的一般概念、脉冲响应法和相关函数法、最小二乘类辨识方法、极大似然法和预报误差法、时间序列模型和随机逼近法、多输入多输出线性系统辨识、闭环系统辨识。附录给出了学习本课程中用到的矩阵分析等一些数学工具。
本书结构清楚,重点突出,既注重理论的系统性和完整性,又突出了工程实用性。本书既可作为高等工科院校自动控制及相近专业的研究生教材,也可供从事自动控制类专业的科研工作者、工程技术人员参考。
第一篇 最优状态估计
第1章 最优估计的基本概念
§1.1 估计、最优估计和最优估计方法
§1.2 最小方差估计
§1.3 极大似然估计
§1.4 极大验后估计
§1.5 线性最小方差估计
§1.6 最小二乘估计
§1.7 各种估计方法的比较及其关系
习题1
第2章 线性系统的卡尔曼滤波
§2.1 引言
§2.2 卡尔曼滤波问题的提法
§2.3 线性离散系统的卡尔曼最优预测基本方程
§2.4 线性离散系统的卡尔曼最优滤波
§2.5 线性连续系统的卡尔曼最优滤波
习题2
第3章 最优线性平滑
§3.1 概述
§3.2 固定区间最优平滑
§3.3 固定点最优平滑
§3.4 固定滞后最优平滑
习题3
§13.3 直接辨识法
§13.4 间接辨识法
§13.5 联合过程法
习题13
第14章 系统辨识的——些有关问题
§14.1 先验知识的利用与辨识方法的选择
§14.2 开环可辨识性问题
§14.3 最优输入信号及其设计
§14.4 观测数据的采集和预处理
§14.5 单输入单输出系统的阶数的确定
§14.6 模型验证
§14.7 卡尔曼滤波用于参数估计
§14.8 状态变量与参数的联合估计
习题14
附录
附录1 向量、矩阵的微分运算
附录2 矩阵求逆引理
附录3 正定矩阵及其性质
附录4 矩阵许瓦茨不等式
附录5 随机变量与随机过程的基本概念
附录6 正交定理
附录7 点估计理论
参考文献
“最优状态估计与系统辨识”是导航、制导与控制类硕土研究生一门重要的理论课程。
状态估计、系统辨识和控制理论是现代控制理论中的三个相互独立又相互渗透的主要分支。状态估计和系统辨识离不开控制理论的支持,而最优控制和自适应控制又几乎不能没有状态估计和系统辨识技术。
任何自动控制系统都是在随机干扰的作用下工作的,所有控制系统的测量装置测出的量都程度不同的含有随机误差。这些随机因素的存在,都给实际的控制系统的分析和设计带来一系列的新问题。随机系统理论就是在解决这些新问题的过程中逐渐形成的。
研究随机系统的目的,往往在于对系统施加控制,使之按照人们预期的目标运行。随机最优控制理论则是研究如何选择控制策略或控制律,使某个目标函数在统计意义下达到最优。
由于随机系统固有的不确定性,系统的状态和输出都表现为具有某种统计特性的随机过程。因此,在一般情况下,企图测量系统某个时刻的状态,或精确预报系统的状态和输出在未来时刻的变化,都是不可能的。所以,随机系统理论必须借助于数理统计中的估计理论,来研究对系统的状态或输出的估计。
对实际过程的估计或控制,都有赖于获得对该过程正确描述的数学模型。对于一些极其简单的实际过程,其数学模型可以根据物理定律来建立,但大多数实际过程的作用机理却不能为人们所确切了解,这就需要通过实验数据来构造其数学模型。系统辨识和参数估计则是随机系统理论中研究如何建立系统数学模型的又一个重要分支。
本书是编者在多年讲授“最优状态估计与系统辨识”课程的讲稿基础上,经多次修改完善写成的。全书分两篇14章,其中第一篇最优状态估计(第1~6章),主要介绍卡尔曼滤波的基本理论;第二篇系统辨识(第7~14章),主要介绍系统辨识和参数估计的基本理论和方法。
本书力求贯彻理论和实践相结合的原则。考虑到工科研究生的知识结构特点,在取材和阐述方式上,既注意理论的系统性和完整性,又突出了工程实用性;公式推导比较详细,但又不片面追求数学上的严格性。问题表述力求浅显易懂。书中还附有较多的例题和习题,为读者自学提供了方便条件。
本书的编写工作得到了院、系领导的支持和关怀,导航、制导与控制学科的邓方林教授、许化龙教授以及很多同事也曾给予热情的鼓励、支持和帮助。牟建华副教授(博士)和胡昌华教授(博士)分别详细审阅了书稿的第一篇和第二篇,并提出不少宝贵的修改意见。更不能忘记教保处的同志们为本书的出版所付出的辛勤劳动。在此,一并向他们表示衷心的感谢!
另外,书后所列参考文献,为本书的基本内容提供了素材,有的还引用了其中的部分内容,在此,谨向有关作者表示谢意!
由于作者水平和实践经验有限,书中缺点和不足之处在所难免,热诚欢迎读者批评指正。
王志贤
2003年1月于第二炮兵工程学院