Технологии / Техническое руководство

Оценивание Калмана: прогноз, невязка и ковариация

Оценивание по Калману объединяет динамический прогноз с наблюдением в рамках заданной математической модели. Оно поддерживает оценку внутреннего состояния и модель ошибки оценивания. Более гладкий вид графика не является его определяющим признаком, а название метода не может подтверждать точность, если исходные предположения неверны.

Прогнозирование и наблюдение не несут одинаковой информации.

Проследите, как их разность используется при коррекции, затем отличайте модельную ковариацию от достоверности, подтверждённой измерениями.

01 / Две модели

Движение и наблюдение описываются отдельными соотношениями.

Базовая дискретная линейная модель описывает x[k] через предыдущее состояние с помощью матрицы перехода и слагаемого шума процесса.

Базовая дискретная линейная модель описывает x[k] через предыдущее состояние с помощью матрицы перехода и слагаемого шума процесса. Модель наблюдения отображает текущее состояние через H в z[k], с отдельным слагаемым шума измерения.

MathWorks представляет эти зависимости прогнозирования и коррекции. Неопределённость процесса касается эволюции состояния, а неопределённость измерений — полученного наблюдения. Это не два обозначения одного и того же источника шума; они также не являются автоматически независимыми в каждой физической системе.

02 / Прогнозирование

Оценка развивается во времени в соответствии с заданной динамикой.

Прогнозируемое состояние вытекает из предыдущей оценки и известных входных данных модели.

Прогнозируемое состояние следует из предыдущей оценки и известных входных данных модели. Его ковариация также изменяется, включая вклад шума процесса Q. Это отражает неопределённость в рамках принятой модели, а не вновь полученную информацию о физической реальности.

Прогноз может оставаться плавным, отклоняясь от действительности из-за неучтённого изменения. И наоборот, предусмотренное моделью увеличение неопределённости может быть обоснованным, даже когда прогнозируемая кривая визуально стабильна. Плавность и обоснованная уверенность отвечают на разные вопросы.

03 / Невязка измерения

Коррекция начинается с разности между измеренным и предсказанным значениями.

Невязка измерения равна z−H x_predicted: это наблюдение минус предсказанное значение измерения.

Инновация равна z−H x_predicted: это наблюдение минус его предсказанное измерение. Коэффициент усиления преобразует эту разность в поправку состояния. Когда состояние и наблюдение имеют разные единицы измерения, этот коэффициент должен выполнять соответствующее преобразование размерностей.

Большая невязка обновления не указывает однозначно на отказ датчика. Она может возникнуть из-за несоответствия модели, реального изменения, смещения или проблемы с наблюдением. Этот руководство по наблюдаемости объясняет, почему некоторые внутренние различия невозможно восстановить только по выбранным выходным сигналам.

04 / Скалярный пример

Весовые коэффициенты определяются вымышленными исходными значениями неопределённости.

Гипотетическая скалярная модель: прогнозируемое состояние составляет 4 единицы с дисперсией 4 единицы²; независимое наблюдение составляет 6 единиц с дисперсией измерения 1 единица², а H = 1.

Гипотетическая скалярная модель: Прогнозируемое состояние составляет 4 единицы с дисперсией 4 единицы²; независимое наблюдение составляет 6 единиц с дисперсией измерения 1 единица², а H = 1. Коэффициент усиления равен 4/(4+1) = 0.8.

Скорректированная оценка составляет 4+0.8(6−4) = 5.6 единиц, а модельная апостериорная дисперсия — (1−0.8)4 = 0.8 единиц². Эти значения иллюстрируют одно идеальное обновление. Они не являются настройками фильтра, результатами измерений продукта или доказательством того, что физическая ошибка теперь точно известна.

05 / Предположения о шуме.

Ковариация описывает разброс и совместные изменения.

Стандартная линейная интерпретация сохраняет заданные средние значения, ковариации и взаимосвязи ошибок процесса и измерения.

Стандартная линейная интерпретация сохраняет заданные средние значения, ковариации и взаимосвязи ошибок процесса и измерения. Коррелированные ошибки требуют соответствующей модели; игнорирование общего возмущения может привести к тому, что повторяющаяся информация будет рассматриваться как независимые подтверждающие данные.

Диагональные элементы матрицы ковариации выражаются в квадратах единиц соответствующих переменных; внедиагональные элементы — в произведениях соответствующих единиц. Дисперсия не является полем допуска. Малая вычисленная ковариация может сочетаться со смещённой оценкой физической величины, если это смещение не учтено в модели.

06 / Область рассмотрения

Оценка на основе модели не является универсальным средством устранения шума.

Оценивание по Калману отличается от фиксированного низкочастотного преобразования тем, что его коррекцию определяют прогноз, отображение наблюдений и неопределённость.

Оценивание Калмана отличается от фиксированного низкочастотного преобразования тем, что его коррекция определяется прогнозом, отображением наблюдений и неопределённостью. Нелинейная динамика, выбросы и отсутствующие наблюдения создают дополнительные вопросы моделирования; простые уравнения не решают их автоматически.

Для MARSTON не подтверждены ни фильтр Калмана, ни значение ковариации, ни повышение точности. Объяснение не предусматривает реализации, настройки ковариации или корректировки по данным в реальном времени и не называет непроверенный контроллер передовым лишь на основании упоминания алгоритма.

Связанные технические руководства: Динамические состояния и наблюдаемость: что могут показать выходные сигналы · Кросс-корреляция: знак задержки, сходство и время задержки. · Ратиометрические измерения: общий опорный сигнал и остаточные погрешности.

Дополните рассмотрение оценивания материалом смещение, дисперсия и среднеквадратичная ошибка оценки, остатки метода наименьших квадратов и ошибки входных данных, и невязки модели и неоднозначные причины.

Общие сведения: MathWorks: уравнения линейного прогнозирования, невязки и ковариации. Эти источники объясняют отраслевые понятия; они рассматриваются отдельно от применимой документации MARSTON на продукцию и проект.

Ключевые понятия и условия.

Рассматривайте каждую величину с её отсчётом, единицами и условиями. Общая зависимость не устанавливает значение для конкретной модели.

Понятие / величинаСмысл / связьУсловия / пределы
Прогнозируемое состояниеВнутренняя оценка, прогнозируемая по моделиЭто не новое непосредственное наблюдение.
Инновацияz−H x_predictedЕё знак и единицы измерения указаны явно.
QКовариация шума процессаПрименимо к представленной модели эволюции состояния.
RКовариация шума измерений.Рассматривайте отдельно от неопределённости процесса.
Апостериорная ковариацияСмоделированный разброс ошибок оцениванияНе является гарантированной границей фактической ошибки.

Инженерные вопросы.

Является ли метод Кальмана просто сглаживанием?

Нет. Динамика, наблюдения и неопределённость определяют корректировку.

Позволяет ли большая инновационная невязка выявить неисправный датчик?

Неоднозначно; вклад могут вносить несколько причин, связанных с моделью или физическими процессами.

Является ли ковариация допустимым отклонением?

Нет. Это описывает моделируемый статистический разброс.

Может ли небольшая ковариация существовать одновременно с систематической ошибкой?

Да, если модель не учитывает это систематическое смещение.

Являются ли 0.8 и 5.6 результатами MARSTON?

Нет. Они выводятся из вымышленного независимого скалярного примера.

Предписывает ли эта страница настройку фильтра?

Реализация и настройки неопределённости не приводятся.

Технический запрос

Обсудите технический вопрос.

Оценивание Калмана объединяет динамический прогноз с наблюдением в рамках заданной математической модели. Предоставьте модель и применимую эксплуатационную или проектную информацию для инженерного обсуждения.