Квадратно-корневой метод идентификации параметров дискретных линейных стохастических систем с неизвестными входными сигналами

Обложка
  • Авторы: Цыганова Ю.В.1, Галушкина .В.2, Кувшинова А.Н.3
  • Учреждения:
    1. Университет Иннополис
    2. Ульяновский государственный университет
    3. Ульяновский государственный педагогический университет имени И. Н. Ульянова
  • Выпуск: Том 27, № 3 (2025)
  • Страницы: 341-363
  • Раздел: Математика
  • Статья получена: 17.10.2025
  • Статья одобрена: 17.10.2025
  • Статья опубликована: 27.08.2025
  • URL: https://journal-vniispk.ru/2079-6900/article/view/332388
  • ID: 332388

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе предложен новый квадратно-корневой метод параметрической идентификации градиентного типа для дискретных линейных стохастических систем в пространстве состояний с неизвестными входными сигналами. Разработан новый алгоритм вычисления значений критерия идентификации и его градиента на основе квадратно-корневой модификации метода Гиллейнса – Де-Мора, использующий численно устойчивые матричные ортогональные преобразования. В отличие от известных решений, в данной работе применены оригинальные методы дифференцирования матричных ортогональных преобразований. Построена и теоретически обоснована новая модель чувствительности, позволяющая вычислить значения градиента критерия идентификации через частные производные оценок вектора состояния по идентифицируемым параметрам. Основные результаты включают новые уравнения квадратно-корневой модели чувствительности и квадратно-корневой алгоритм вычисления значений критерия идентификации и его градиента. Вычислительные эксперименты выполнены в системе MATLAB на примере решения задачи численной идентификации стохастической модели диффузии с неизвестными граничными условиями. Эффективность предложенного алгоритма подтверждается сравнением методов градиентного и безградиентного типов. Результаты вычислительных экспериментов демонстрируют работоспособность предложенного подхода, который может быть использован для решения практических задач идентификации параметров математических моделей, представленных дискретными линейными стохастическими системами в пространстве состояний при отсутствии априорной информации о входных сигналах.

Об авторах

Юлия Владимировна Цыганова

Университет Иннополис

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

д.ф.-м.н., профессор Института анализа данных и искусственного интеллекта

Россия, 420500, Россия, г. Иннополис, ул. Университетская, д. 1

Дарья Валерьевна Галушкина

Ульяновский государственный университет

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

ассистент кафедры информационных технологий

Россия, 432017, Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, д. 42

Анастасия Николаевна Кувшинова

Ульяновский государственный педагогический университет имени И. Н. Ульянова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuvanulspu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3496-5981

к.ф.-м.н., доцент кафедры высшей математики

Россия, 432071, Россия, г. Ульяновск, площадь Ленина, д. 4/5

Список литературы

  1. Grewal M. S., Andrews A. P. Kalman filtering : Theory and practice using MATLAB. New Jersey : Prentice Hall, 2001. 401 p.
  2. Friedland B. Treatment of bias in recursive filtering // IEEE Transactions on Automatic Control. 1969. Vol. 14, no. 4. P. 359–367. doi: 10.1109/TAC.1969.1099223
  3. Kitanidis P. K. Unbiased minimum-variance linear state estimation // Automatica. 1987. Vol. 23, no. 6. P. 775–778. doi: 10.1016/0005-1098(87)90037-9
  4. Darouach M., Zasadzinski M. Unbiased minimum variance estimation for systems with unknown exogenous inputs // Automatica. 1997. Vol. 33, no. 4. P. 717–719. doi: 10.1016/S0005-1098(96)00217-8
  5. Hsieh C. -S. Robust two-stage Kalman filters for systems with unknown inputs // IEEE Transactions on Automatic Control. 2000. Vol. 45, no. 12. P. 2374–2378. doi: 10.1109/9.895577
  6. Gillijns S., De Moor B. Unbiased minimum-variance input and state estimation for linear discrete-time systems // Automatica. 2007. Vol. 43, no. 1. P. 111–116. doi: 10.1016/j.automatica.2006.08.002
  7. Gillijns S., Haverbeke N., De Moor B. Information, covariance and square-root filtering in the presence of unknown inputs // Proceedings of the 2007 European Control Conference (ECC) (Kos, Greece, 2–5 July 2007). 2007. P. 2213–2217. doi: 10.23919/ECC.2007.7068514
  8. Hua Y., Wang N., Zhao K. Simultaneous unknown input and state estimation for the linear system with a rank-deficient distribution matrix // Mathematical Problems in Engineering. 2021. doi: 10.1155/2021/6693690
  9. Tsyganova Yu., Tsyganov A. Parameter identification of the linear discrete-time stochastic systems with uknown exogenous inputs // Cybernetics and Physics. 2023. Vol. 12, no. 3. P. 219–229. doi: 10.35470/2226-4116-2023-12-3-219-229
  10. Цыганова Ю. В., Цыганов А. В. Об идентификации параметров дискретной линейной стохастической системы с неизвестными входными сигналами // XIV Всероссийское совещание по проблемам управления : сборник научных трудов. (Москва, 17–20 июня 2024 г.). М. : Институт проблем
  11. управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2024. С. 991–995. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=79486619
  12. Galushkina D., Kuvshinova A., Tsyganova Yu. Numerical identification of reactiondiffusion model parameters under unknown boundary conditions // 2024 X International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT) (Samara, 20–24 May 2024.) IEEE. P. 1–4. doi: 10.1109/ITNT60778.2024.10582357
  13. Kailath T., Sayed A. H., Hassibi B. Linear estimation. New Jersey: Prentice Hall, 2000. 856 p.
  14. Цыганова Ю. В., Куликова М. В. О современных ортогонализованных алгоритмах оптимальной дискретной фильтрации // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия : Математическое моделирование и программирование. 2018. Т. 11, № 4. С. 5–30. doi: 10.14529/mmp180401
  15. Кувшинова А. Н., Галушкина Д. В. О квадратно-корневой модификации алгоритма Гиллейнса – Де-Мора // Ученые записки УлГУ. Серия «Математика и информационные технологии». 2022. Т. 1, № 2. С. 17–22. Режим доступа: https://www.mathnet.ru/rus/ulsu135
  16. Tsyganov A., Tsyganova Yu. SVD-based parameter identification of discrete-time stochastic systems with unknown exogenous inputs // Mathematics. 2024. Vol. 12, no. 7. doi: 10.3390/math12071006
  17. Цыпкин Я. З. Информационная теория идентификации. М.: Физматлит, 1995. 336 с.
  18. Gupta N. K., Mehra R. K. Computational aspects of maximum likelihood estimation and reduction in sensitivity function calculations // IEEE Transactions on Automatic Control. 1974. Vol. AC-19. P. 774–783. doi: 10.1109/TAC.1974.1100714
  19. Gibbs B. P., Andrews A. P. Advanced Kalman filtering, least-squares and modeling : a practical handbook. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2011. 632 p.
  20. Голубков А. В., Цыганова Ю. В., Цыганов А. В. Построение модели чувствительности на основе алгоритма одновременного оценивания входа и состояния для линейных дискретных стохастических систем с неизвестными входными воздействиями // Системы управления, сложные системы: моделирование, устойчивость, стабилизация, интеллектуальные технологии : материалы IX Международной
  21. научно-практической конференции. (Елец. 24–25 апреля 2023 г.) Елец.: Елецкий государственный университет им. И. А. Бунина, 2023. С. 41–45. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp id=79563251
  22. Bierman G. J., Belzer M. R., Vandergraft J. S., Porter D.W. Maximum likelihood estimation using square root information filters // IEEE Transactions on Automatic Control. 1990. Vol. 35, no. 12. P. 1293–1299. doi: 10.1109/9.61004
  23. Куликова М. В.,Цыганова Ю. В. О дифференцировании матричных ортогональных преобразований // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2015. Т. 55, № 9. С. 1460–1473. doi: 10.7868/S0044466915090112
  24. Nocedal J.,Wright S. J. Numerical optimization. In Springer Series in Operations Research and Financial Engineering. Springer Nature, 2006. 664 p.
  25. Кувшинова А. Н. Динамическая идентификация смешанных граничных условий в модели конвективно-диффузионного переноса в условиях зашумленных измерений // Журнал Средневолжского математического общества. 2019. Т. 21, № 1. С. 469–479. doi: 10.15507/2079-6900.21.201904.469-479
  26. Мазо А. Б. Вычислительная гидродинамика. Ч. 1. Математические модели, сетки и сеточные схемы : учеб. пособие. Казань: Казан. ун-т, 2018. 165 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Цыганова Ю.В., Галушкина .В., Кувшинова А.Н., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».