濾波器信息處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，尤其是設(shè)及基于網(wǎng)絡(luò)的LipscMtZ非線性系統(tǒng)的 Hoo濾波器信息處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)種通過通信 網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)或基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 中，傳感器、控制器和執(zhí)行器利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，因此，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有安裝維護(hù) 方便、靈活性高和能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 由于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在控制回路中引入了通信網(wǎng)絡(luò)，因此產(chǎn)生了數(shù)據(jù)量化和數(shù)據(jù) 包丟失等問題。如果網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的狀態(tài)不可測(cè)且受到噪聲擾動(dòng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)濾波器對(duì)系統(tǒng) 的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)被估計(jì)系統(tǒng)受到的噪聲是白噪聲時(shí)，可W設(shè)計(jì)采用估計(jì)誤差方差作為 性能度量的Kalman濾波器和線性濾波器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。
[0004] 目前，基于網(wǎng)絡(luò)的濾波器設(shè)計(jì)主要是針對(duì)線性系統(tǒng)、具有扇形非線性系統(tǒng)和由T-S 模糊模型描述的非線性系統(tǒng)。LipscMtz非線性系統(tǒng)是一類重要的非線性系統(tǒng)，例如，存在 S角函數(shù)項(xiàng)的機(jī)器人系統(tǒng)是LipscMtz非線性系統(tǒng)，一些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)可W描述成線 性系統(tǒng)與滿足LipscMtz條件的非線性項(xiàng)之和。然而現(xiàn)有的基于網(wǎng)絡(luò)的濾波器設(shè)計(jì)存在的 問題有：一、被估計(jì)信號(hào)通過導(dǎo)線而不是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程濾波器，增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成 本，不利于系統(tǒng)安裝維護(hù)。二、主要考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失，并用貝努力分布描述 數(shù)據(jù)傳輸過程，不適用于數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r。因此，當(dāng)LipscMtz非線性系統(tǒng)受 到統(tǒng)計(jì)特性難W確定的噪聲擾動(dòng)時(shí)，本發(fā)明將測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化并通過網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)竭h(yuǎn)程濾波器，并用馬爾可夫鏈描述數(shù)據(jù)傳輸過程，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)的Hoo濾波器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的LipscMtZ非線 性系統(tǒng)的Hoo濾波器信息處理方法。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于網(wǎng)絡(luò)的Lipschitz非線性系統(tǒng)的Hoo濾波器信息處理方法，包括如下步驟：
[0008] 1)首先對(duì)受到統(tǒng)計(jì)特性難W確定的噪聲干擾的網(wǎng)絡(luò)化Lipschitz非線性系統(tǒng)進(jìn)行 分析;并對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化處理，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到濾波器端；
[0009] 2)濾波器接收到數(shù)據(jù)后將測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)分離;并基于馬爾可夫鏈描述的 數(shù)據(jù)傳輸過程，討論Lipschitz非線性系統(tǒng)的Hoo濾波器問題；
[0010] 3)基于馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率信息，建立新型的網(wǎng)絡(luò)化LipscMtZ非線性系 統(tǒng)及濾波器模型，并根據(jù)新建立的濾波器模型對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。
[0011] 所述步驟1)中，Lipschitz非線性系統(tǒng)建立的狀態(tài)方程如下
[0012] x(k+l)=AxA)+Ff(k，x(k))+BwA)
[0013] y(k)=Cx 化)+Gg(k，x(k))+Dw 化） （I)
[0014] Z 化）=Lx 化）
[001引其中：x(k) ERn是狀態(tài)向量，y(k) ERP是巧慢輸出，z(k) ERQ是被估計(jì)信號(hào)，W(k) e r是空間L2[0，w)上的噪聲信號(hào)，A，F(xiàn)，B，C，G，D和L是已知相應(yīng)維數(shù)的系數(shù)矩陣，f化，X化）） 和g化,X化））是滿足如下Lipschitz條件的非線性向量函數(shù):f化，0)=0，g化，0)=0, I If化， X化））I I引|Fix化）I I，I Ig化,X化））I I引|Gix化）I I，其中Fi，Gi是已知的相應(yīng)維數(shù)矩陣。
[0016] 所述步驟1)中，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化處理的方法具體如下：
[0017] 測(cè)量輸出7化)和被估計(jì)信號(hào)z(k)的元素經(jīng)過量化后打成一個(gè)數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)傳 輸?shù)綖V波器節(jié)點(diǎn)，傳輸之前先對(duì)其進(jìn)行量化，量化器為：
[0019] 其中，系統(tǒng)的量化水平集U={±Ui,Ui = pluo，i = ±l，±2，…}U{±uo}U{0}，0<p< l，u〇〉0:
，口為量化器Q(V)的量化密度。
[0020] 所述步驟2)中，馬爾可夫鏈描述的數(shù)據(jù)傳輸過程方法如下：
[0021] O化)=0表示數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)沒有丟失;〇化)=1表示數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)產(chǎn)生 丟失;馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P=[Pij]，其中Ai =Prjo從+1) = /1 O斯=巧Vf J e{〇，l}， Pij含巧=1;當(dāng)Poi+Pi日二1時(shí)，傳輸過程為貝努力分布；
[0022] 當(dāng)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)正常傳輸時(shí)，則濾波器接收到數(shù)據(jù)后將測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)分 離;濾波器輸入yf化）=Q(y化）），濾波器接收的被估計(jì)信號(hào)Z?；?Q(Z化)）；系統(tǒng)的量化器 采用對(duì)數(shù)量化器，因此yf化）= (I+mk))y化），zc化）= (I+mk))z化），其中I為相應(yīng)維數(shù)的單 位矩陣，H化)為不確定性矩陣，并滿足M Wk) M < S;
[0023] 當(dāng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生丟失時(shí)，濾波器接收不到網(wǎng)絡(luò)傳來的測(cè)量輸出和被估計(jì) 信號(hào)，此時(shí)假設(shè)濾波器輸入保持前一時(shí)刻的值不變，即yf化）=yf化-1 )，濾波器接收不到被 估計(jì)信號(hào)，即Z?；?=0，運(yùn)樣濾波器輸入和接收的被估計(jì)信號(hào)可化為：
[0024] yf(k) = (l-〇化））（I+H 化））y(k)+〇化)yf(k-l) (3)
[0025] Zc(k) = (l-〇化））（I+H 化））z(k) (4)。
[0026] 所述步驟2)討論Lipschitz非線性系統(tǒng)的Hoc濾波器問題的方法具體如下：
[0027] 為估計(jì)式(1)的輸出Z化），設(shè)計(jì)如下形式的模式依賴濾波器：
[002引 Xf (k+1) = Af。(k) Xf 化)+Bf。(k)yf 化）
[0029] (5)
[0030] Zf(k)=Cf〇(k)Xf 化）
[0031] 其中：Xf化）er是濾波器狀態(tài)向量，yf(k) ERP是濾波器輸入，Zf化）ERQ是估計(jì)信 號(hào)，Afo(k)，Bfo(k)和Cfo(k)，O化）=i e {〇，1}是待定的濾波器參數(shù)；
[0032]定義向量文作)=[X^(A) X誠(chéng)，）共(A) ，n(k) = [fT(k,x(k)) gT(k，x(k))]T，估計(jì) 誤差e化)=zc化)-zKk)，由式(1)、式(3)、式(4)和式巧），可得到如下濾波誤差系統(tǒng)： 去(A'十1)=去",克網(wǎng)+鳥腳/㈱+起的W僻 .
[003引 ~ ，。從) = /e 0，1 腳 e{k) = C^,,x(k)
[0034] 其中；4 = 4.+ 6巧腳五1 .，..護(hù)〇 =氏+ 6燈(*)嗎，度。=爲(wèi)+ 6//例丘;.，.^；=亡+抒腳&'， _ J 0 0_ > 0 「巧 1 [-'打 _ 4=及巧.4-.". 0 ' 巧=0 .掃刊拉 ' 4=島A)公.' &=及巧.'Ei=[C 0 0]瓜=[0 G]，E3=D， coo」 [0 ,技 I ￡> \ [ I ~A 0 0 1 「/ ()1 「及- C=王-C/。0'，E4=[l 0 o]，A= 0 為-1.思/-1，巧=0' 0 '，馬'=0 i 每=0 -C". 0 甘
[0 0 i」 1_日：0」 L0
[0035] 所述步驟3)，建立新型的網(wǎng)絡(luò)化Lipschitz非線性系統(tǒng)及濾波器模型具體如下：
[0036] 對(duì)于給定的正數(shù)丫和量化密度P，如果存在對(duì)稱正定矩陣Pi、Mi、Ri和矩陣Ni、Vi、 8山1 = 0，1，正標(biāo)量61、62和63，使得下列線性矩陣不等式(7)和(8)成立，則濾波誤差系統(tǒng)(6) 式是隨機(jī)穩(wěn)定的且具有Hoo性能丫；其中濾波器參數(shù)I，Cp = 口I，
[0039] 其中：打U二觀客{-巧+與(奸護(hù)1+巧料+ €次於<：+為滬必￡，-水/。，-巧。}，
[0040] 口別二與抑。。，n22 = diag{-eiI，-eiI+e2S2GTG}， G L 0 U
[0041 ] n31=[E2S2護(hù)C 0 0]，n32=[0 ￡282護(hù)G]，ri33 = -丫 2I + E2S2護(hù)D，
[0045] IIsi= [L -Vo 0]，n 冊(cè)=-1，口對(duì)=0 公去 0 /'，n 巧=1174，口77 = -621，
[0046] IIss= I，Hss = -EsI，〇。'=泌嘴|-與+ ^1(巧巧 + 括f巧)，-萬'，-巧} , Q 22 = -eiI， Q 33 = - 丫 2l， -巧^ 0 Q 1 「巧叫 「巧孩-
[0047] !□祉=0 典 1 巧乃，〇4，= 0 0，0巧=0 ， 0 0 Ko」 L 0 O J [ 0 'P^A 0 0 1 「巧F 口] 「與近_
[0048] 卑4.=(的?{-向記，-機(jī):馬，_巧誠(chéng)}'〇5'1=〇 N、Bp ,€1。= 0 .'0,〇。= 0，
[0 。.馬」 0 0」 L。
[0049] Q巧=成.幻客{-知/巧，-巧-/Af"-妃巧}，〇61=[0 -Vi 0]，〇66 = -1。
[0050] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果具體如下：
[0051] (1)將LipscMtZ非線性系統(tǒng)的測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸 到遠(yuǎn)程濾波器，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)的Hoo濾波器，相比現(xiàn)有技術(shù)，降低了濾波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本， 提高了系統(tǒng)安裝維護(hù)的方便性和靈活性，即使數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中存在丟失，系統(tǒng)受 到統(tǒng)計(jì)特性難W確定的噪聲干擾，估計(jì)信號(hào)也能較好地跟蹤被估計(jì)信號(hào)。
[0052] (2)本發(fā)明采用馬爾可夫鏈描述數(shù)據(jù)傳輸過程，相較于采用貝努力分布描述數(shù)據(jù) 傳輸過程更具有一般性，尤其適用于數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r。
[005引（3)本發(fā)明利用Lyapunov泛函方法，研究了一類具有量化和數(shù)據(jù)包丟失的 Lipschitz非線性系統(tǒng)的壓。濾波器設(shè)計(jì)問題，并給出了基于該濾波器的信息處理方法，實(shí)現(xiàn) 了濾波器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)。
【附圖說明】
[0054] 圖1是基于網(wǎng)絡(luò)的非線性系統(tǒng)濾波結(jié)構(gòu)圖；
[0055] 圖2是數(shù)據(jù)傳輸過程圖；
[0056] 圖3是濾波器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0058] 如圖1、圖2和圖3所示，分別是基于網(wǎng)絡(luò)的非線性系統(tǒng)濾波結(jié)構(gòu)圖、數(shù)據(jù)傳輸過程 圖和濾波器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)圖，本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)的LipscMtz非線性系統(tǒng)的Hoo濾波器信 息處理方法，包括如下步驟：
[0059] 1)首先對(duì)受到統(tǒng)計(jì)特性難W確定的噪聲干擾的網(wǎng)絡(luò)化Lipschitz非線性系統(tǒng)進(jìn)行 分析;并對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化處理，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到濾波器端；
[0060] 2)濾波器接收到數(shù)據(jù)后將測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)分離;并基于馬爾可夫鏈描述的 數(shù)據(jù)傳輸過程，討論Lipschitz非線性系統(tǒng)的Hoo濾波器問題；
[0061] 3)基于馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率信息，建立新型的網(wǎng)絡(luò)化LipscMtZ非線性系 統(tǒng)及濾波器模型，并根據(jù)新建立的濾波器模型對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。
[0062] 其中，步驟1)中的受到統(tǒng)計(jì)特性難W確定的噪聲干擾的網(wǎng)絡(luò)化LipscMtz非線性 系統(tǒng)建立的狀態(tài)方程如式（1)。對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)進(jìn)行量化和打包處理的方 法如下:測(cè)量輸出y化)和被估計(jì)信號(hào)Z化)的元素經(jīng)過量化后打成一個(gè)數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)傳輸 到濾波器節(jié)點(diǎn)。傳輸之前先對(duì)其進(jìn)行量化，量化器為式(2)。
[0063] 步驟2)中馬爾可夫鏈描述的數(shù)據(jù)傳輸過程方法如下：用〇(k)=0表示數(shù)據(jù)通過網(wǎng) 絡(luò)傳輸時(shí)沒有丟失;O化)=1表示數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)產(chǎn)生丟失。馬爾可夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概 率矩陣P=[p。]，其中巧,. = Pr jo^a 十 1) = ./1。作）=/'} V7，./居{()，l}，pu>〇,完;齡=1。當(dāng)POi +Pio= 1時(shí)，傳輸過程為貝努力分布，因此用馬爾可夫鏈描述數(shù)據(jù)傳輸過程更具有一般性，尤 其適合描述數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸情況。
[0064] 當(dāng)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)正常傳輸時(shí)，則濾波器接收到數(shù)據(jù)后將測(cè)量輸出和被估計(jì)信號(hào)分 離。濾波器輸入yKk)=Q(y化）），濾波器接收的被估計(jì)信號(hào)Z?；?Q(z化)）。由于系統(tǒng)的量 化器采用了對(duì)數(shù)量化器，因此yKk) = (I+H化））y化），zc化）= (I+H化））z化），其中IlH化）| <8。當(dāng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生丟失時(shí)，濾波器接收不到網(wǎng)絡(luò)傳來的測(cè)量輸出和被估計(jì)信 號(hào)，此時(shí)假設(shè)濾波器輸入保持