Уравнение (5.4) имеет первый
порядок, а вектор состояния модели движения имеет
размерность два. Чтобы использовать результаты раздела 3.9, приведем выражение
(5.4) к виду (3.46). Для этого введем вектор
при начальном условии
и коэффициент
. Тогда
состояние
и в системе действует лишь один
интегратор, то есть
. Проектируемая система (5.4) в
данном случае является субоптимальной, и оптимизация коэффициента усиления
по минимуму ошибки фильтрации или
экстраполяции дает различные результаты. Выполним оптимизацию по минимуму
ошибки экстраполяции, используя дисперсионное уравнение (3.49). Полагаем, что при
дисперсия ошибки стремится к стационарному
значению, и
.
(5.5)
Матричное уравнение (5.5)
эквивалентно системе из трех алгебраических уравнений (матрица симметрическая).
, (5.6)
,
.
Последовательно вычисляя
неизвестные значения элементов матрицы ,
получим выражение для дисперсии ошибки экстраполяции.
. (5.7)
Дифференцируя из (5.7) по
и
приравнивая результат нулю, получим алгебраическое уравнение третьей степени
или
, где
.
Решение алгебраического уравнения дает оптимальное значение
Из
решения для непрерывной системы (5.2), используя соотношение
, можно получить приближенное значение для
дискретной системы
. Исследование зависимости
от параметра
показывает, что
приближенное (график 1 на рис. 5.3) и точное решение (график 2) практически
совпадают при значениях
.
Система с двумя дискретными интеграторами задается системой из двух разностных уравнений, подобных (4.13).
где ;
;
.
Для моделирования процесса с ускорением необходим формирующий фильтр с тремя интеграторами, имеющий переходную матрицу (3.30).
,
,
где ;
;
; начальное значение ускорения является случайной величиной c нулевым средним и среднеквадратическим значением
;
;
дисперсия шума
равна
.
Для
нахождения стационарного решения составим дисперсионное уравнение, подобное
(5.5). Вектор , а матрица
имеет размерность
.
Проектируемый фильтр в данном случае также является субоптимальным, и результат
зависит от способа оптимизации. При высоком порядке модели аналитическое
решение затруднено, и необходимо использовать численное решение. На рис. 5.4
показаны два варианта выбора коэффициента усиления
в
зависимости от величины
.
Значения от
выбора варианта оптимизации практически не зависят. Штриховая линия
соответствует оптимизации по минимуму дисперсии ошибок фильтрации, непрерывная
– экстраполяции. Для сравнения штрих-пунктиром показаны результаты
приближенного расчета по формулам, полученным из непрерывного расчета (5.3).
и
.
Сравнение результатов
численного расчета с приближенным показывает, что при целесообразно использовать упрощенный
метод расчета.
5.3. Синтез оптимальных следящих систем с постоянными параметрами
При проектировании следящих
измерителей желательна не только оптимизация параметров, но и выбор оптимальной
структуры. Задача оптимальной линейной фильтрации заключается в построении фильтра,
вырабатывающего путем линейного преобразования наблюдения оценку
с
минимальной среднеквадратичной ошибкой разности
выходного
сигнала фильтра и желаемого выхода
, формируемого некоторым
линейным преобразованием
(рис. 5.5). Впервые
такая задача была сформулирована в 1939 году академиком А.Н. Колмогоровым.
Затем в 1949 году американским ученым Н. Винером был найден физически
реализуемый оптимальный линейный фильтр.
Если положить для
простоты , то весовая функция оптимального фильтра
определяется решением интегрального
уравнения Винера-Хопфа
, (5.8)
где ;
;
.
Отметим, что при составлении уравнения (5.8) используются только корреляционные функции процессов, но не используются их распределения. При любом виде распределений полученный фильтр является оптимальным в классе линейных фильтров. Однако для негауссовских процессов возможно улучшение оценки путем нелинейной обработки.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.