Застосування нечіткого фільтра частинок для спостереження станів динамічної системи в режимі реального часу

Abstract

Однією із ключових проблем реалізації замкнених систем керування є вимірювання усіх станів динамічної системи, яка перебуває у складних навколишніх умовах, де застосування певних видів датчиків є технічно неможливим чи економічно необґрунтованим. Також, у електромеханічних системах існує низка величин, які неможливо безпосередньо виміряти фізичними датчиками. У таких випадках для обчислення невідомих координат вектора стану динамічної системи використовують математичні алгоритми – спостерігачі та естиматори. Одним із найпоширеніших серед алгоритмів спостереження, які використовуються у електромеханічних системах, є фільтр частинок, який дає змогу визначати координати вектора стану нелінійної системи за негауссовим законом розподілу станів та вимірювань. Також, практична цінність алгоритму зумовлена високою нечутливістю до шуму сенсорів та збіжністю при великих початкових відхиленнях оцінених значень станів від реальних величин. Проте, реалізація алгоритму потребує значних обчислювальних витрат, які зумовлені обчисленням великої кількості точок станів, у яких може перебувати динамічна системи. Із метою зменшення обчислювальної складності у статті запропоновано модифікацію фільтра частинок для спостереження координат вектора станів динамічної системи електроприводу колеса електромобіля. Модифікований алгоритм фільтра частинок здійснює перемикання кількості точок під час оцінювання величин координат вектора стану із використанням нечіткої логіки із лише одним нечітким входом, що дає змогу уникнути великої бази правил. Адекватність нечіткого фільтра частинок доведена математичним моделюванням динаміки системи електроприводу колеса електромобіля під час його руху на різних поверхнях. Запропонований алгоритм показав аналогічну точність і менші обчислювальні затрати порівняно із класичним алгоритмом спостереження. Також результати моделювання засвідчили, що модифікований спостерігач незначно впливає на динаміку та статику замкненої системи керування із регулятором за повним вектором стану, на вхід якого подаються координати системи, визначені нечітким фільтром частинок.

One of the key problems in the implementation of closed-loop control systems is to measure all states of a dynamic system, especially, when there are severe environmental conditions. Consequently, the use of certain types of sensors is impossible for technical or economic reasons. Also, in electromechanical systems, there are a lot of values that cannot be directly measured by physical sensors. Thus, mathematical algorithms named as observers and estimators are in use to calculate the states of the dynamic system utilizing math model and available set of sensors. One of the widespread observation algorithms, which are in use in electromechanical systems, is a particle filter which allows to determine the coordinates of the state vector of a nonlinear system with a non-Gaussian law of state distribution and measurements. Also, the practical value of the algorithm is due to the high sensitivity to sensor noise and convergence at large initial deviations of the estimated state values from the real values. However, the implementation of the algorithm requires considerable computational cost, which is caused by the calculation of a large number of state points that may have dynamic systems. In order to reduce the computational complexity, the paper proposes a modification of the particle filter, which was named as fuzzy particle filter. The modified algorithm involves switching the number of particles during the estimation process of the state vector using fuzzy logic with only one fuzzy input. The novel observer was applied to wheel electrical drive to estimate state vector. Mathematical modelling of the dynamics of the wheel electrical drive system when a vehicle is travelling on different surfaces proves the adequacy of the fuzzy particle filter. The proposed algorithm showed similar accuracy and lower computational cost compared to the classical particle filter. The modified observer was also found to have a little effect on the dynamics and static characteristics of a closed-loop control system with a full-state feedback controller while the fuzzy particle filter defines the coordinates of the state vector.