A square-root method for identifying the parameters of discrete-time linear stochastic systems with unknown input signals

封面

如何引用文章

全文:

详细

The paper proposes a new square-root gradient-based parameter identification method for discrete-time linear stochastic state-space systems with unknown input signals. A new algorithm is developed for calculating the values of the identification criterion and its gradient. The approach is based on a square-root modification of the Gillijns – De Moor method and uses numerically stable matrix orthogonal transformations. Unlike the existing solutions, this paper uses original methods for differentiating matrix orthogonal transformations. A new sensitivity model is constructed and theoretically justified, that allows calculating the values of the identification criterion gradient by using partial derivatives of state vector estimates based on identified parameters. The main results include new equations for the square-root sensitivity model and a square-root algorithm for calculating the values of the identification criterion and its gradient. Numerical experiments were performed in MATLAB for example of solving the numerical identification problem of a stochastic diffusion model with unknown boundary conditions. The effectiveness of the proposed algorithm is confirmed by comparison of gradient-based and gradient-free methods. The results of numerical experiments demonstrate efficiency of approach proposed which can be used to solve practical problems of identifying the parameters of mathematical models represented by discrete-time state-space linear stochastic systems, in the absence of any prior information about the input signals.

作者简介

Julia Tsyganova

Innopolis University

Email: tsyganovajv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8812-6035

D. Sc. (Phys. and Math.), Professor, Institute of Data Science and Artificial intelligence

俄罗斯联邦, 1, Universitetskaya Str., Innopolis, 420500, Russia

Darya Galushkina

Ulyanovsk State University

Email: dgalushkina73@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4041-0533

Assistant Professor, Department of Information Technologies

俄罗斯联邦, 42 Leo Tolstoy str., Ulyanovsk, 432017, Russia

Anastasia Kuvshinova

Ulyanovsk State University of Education

编辑信件的主要联系方式.
Email: kuvanulspu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3496-5981

Ph.D. (Phys. and Math.) Department of Higher Mathematics

俄罗斯联邦, 4/5 Lenin Square, Ulyanovsk, 432071, Russia

参考

  1. M. S. Grewal, A. P. Andrews, Kalman filtering: Theory and practice using MATLAB, Prentice Hall, New Jersey, 2001, 401 p.
  2. B. Friedland, "Treatment of bias in recursive filtering", IEEE Transactions on Automatic Control, 14:4 (1969), 359–367. doi: 10.1109/TAC.1969.1099223
  3. P. K. Kitanidis, "Unbiased minimum-variance linear state estimation", Automatica, 23:6 (1987), 775–778. doi: 10.1016/0005-1098(87)90037-9
  4. M. Darouach, M. Zasadzinski, "Unbiased minimum variance estimation for systems with unknown exogenous inputs", Automatica, 33:4 (1997), 717–719. doi: 10.1016/S0005-1098(96)00217-8
  5. C.-S. Hsieh, "Robust two-stage Kalman filters for systems with unknown inputs", IEEE Transactions on Automatic Control, 45:12 (2000), 2374–2378. doi: 10.1109/9.895577
  6. S. Gillijns, B. De Moor, "Unbiased minimum-variance input and state estimation for linear discrete-time systems", Automatica, 43:1 (2007), 111–116. doi: 10.1016/j.automatica.2006.08.002
  7. S. Gillijns, N. Haverbeke, B. De Moor, "Information, covariance and square-root filtering in the presence of unknown inputs", The 2007 European Control Conference (ECC): Proceedings (Kos, Greece, 2–5 July, 2007), IEEE, 2007, 2213–2217 doi: 10.23919/ECC.2007.7068514.
  8. Y. Hua, N. Wang, K. Zhao, "Simultaneous unknown input and state estimation for the linear system with a rank-deficient distribution matrix", Mathematical Problems in Engineering, 2021, ID 6693690. doi: 10.1155/2021/6693690
  9. Yu. Tsyganova, A. Tsyganov, "Parameter identification of the linear discrete-time stochastic systems with uknown exogenous inputs", Cybernetics and Physics, 12:3 (2023), 219–229. doi: 10.35470/2226-4116-2023-12-3-219-229
  10. J. V. Tsyganova, A. V. Tsyganov, "Identification of parameters in a discrete linear stochastic system with unknown input signals'', XIV All-Russian Meeting on Control Problems : Collection of scientific papers (Moscow, June 17–20, 2024), V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences, Moscow, 2024, 991–995 (In Russ.), https://www.elibrary.ru/item.asp?id=79486619.
  11. D. Galushkina, A. Kuvshinova, Yu. Tsyganova, "Numerical identification of reaction-diffusion model parameters under unknown boundary conditions", 2024 X International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT) : Proceedings (Samara, Russian Federation, 20–24 May, 2024), IEEE, 2024, 1–4 DOI:
  12. 1109/ITNT60778.2024.10582357.
  13. T. Kailath, A. H. Sayed, B. Hassibi, Linear estimation, Prentice Hall, New Jersey, 2000, 856 p.
  14. Yu. V. Tsyganova, M. V. Kulikova, "[On Modern Array Algorithms for Optimal Discrete Filtering]", Vestnik YuUrGU. Ser. Mat. Model. Progr., 11:4 (2018), 5–30 (In Russ.). doi: 10.14529/mmp180401
  15. A. N. Kuvshinova, D. V. Galushkina, "[On the square-root modification of the Gillijns – De-More algorithm]'', Scientific Notes of UlSU. Series "Mathematics and Information Technologies", 2022, no. 1, 17–22 (In Russ.), http://mi.mathnet.ru/ulsu135.
  16. A. Tsyganov, Yu. Tsyganova, "SVD-based parameter identification of discrete-time stochastic systems with unknown exogenous inputs", Mathematics, 12:7 (2024), 1006. doi: 10.3390/math12071006
  17. Ya. Z. Tsypkin, Informacionnaya teoriya identifikacii [Information theory of identification], Fizmatlit, Moscow, 1995 (In Russ.), 336 p.
  18. N. K. Gupta, R. K. Mehra, "Computational aspects of maximum likelihood estimation and reduction in sensitivity function calculations", IEEE Trans. on Automatic Control, AC-19 (1974), 774–783. doi: 10.1109/TAC.1974.1100714
  19. B. P. Gibbs, Advanced Kalman filtering, least-squares and modeling : a practical handbook, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2011, 632 p.
  20. A. V. Golubkov, Yu. V. Tsyganova, A. V. Tsyganov, "Constructing a sensitivity model based on an algorithm for simultaneous estimation of input and state for linear discrete-time stochastic systems with unknown inputs", Control Systems, Complex Systems : Modeling, Stability, Stabilization, Intelligent Technologies (CSMSSIT-2025): Proceedings of the X International Scientific and Practical Conference (Yelets, April 24–25, 2023), Yelets State University named after I. A. Bunin, Yelets, 2023, 41–45 (In Russ.), https://elibrary.ru/item.asp?id=54172715.
  21. G. J. Bierman, M. R. Belzer, J. S. Vandergraft, D.W. Porter, "Maximum likelihood estimation using square root information filters", IEEE Trans. Automat. Contr., 35:12 (1990), 1293–1299. doi: 10.23919/ACC.1989.4790637
  22. M. V. Kulikova, Yu. V. Tsyganova, "[On differentiation of matrix orthogonal transformations]", Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics, 55:9 (2015), 1460–1473 (In Russ.). doi: 10.1134/S0965542515090109
  23. J. Nocedal, S. J. Wright, Numerical optimization. In Springer Series in Operations Research and Financial Engineering, Springer Nature, 2006, 664 p.
  24. A. N. Kuvshinova, "[Dynamic identification of boundary conditions for convectiondiffusion transport model in the case of noisy measurements]", Zhurnal SVMO, 21:4 (2019), 469–479 (In Russ.). doi: 10.15507/2079-6900.21.201904.469-479
  25. A. B. Mazo, Vychislitel'naya gidrodinamika. CHast' 1. Matematicheskie modeli, setki i setochnye skhemy : ucheb. posobie [Computational fluid dynamics. Part 1. Mathematical models, grids and grid schemes : textbook], Kazan. Univ., Kazan, 2018 (In Russ.), 165 p.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © Tsyganova J.V., Galushkina D.V., Kuvshinova A.N., 2025

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».