【精彩论文推荐】江南大学 王子赟等:基于粒子群的正交超平行空间滤波及其在SOC估计中的应用

文摘   2024-10-25 12:56   辽宁  

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本文引用信息

王子赟, 季钢, 沈谦逸, 基于粒子群的正交超平行空间滤波及其在SOC估计中的应用[J]. 控制与决策, DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0191.

基于粒子群的正交超平行空间滤波及其在SOC估计中的应用

王子赟, 季钢, 沈谦逸, 王艳, 纪志成


       研究背景

01


系统的状态估计是一种通过对系统可观测的输入和输出数据中提取有效的数据进行分析和处理,进而实现精确估计系统状态的方法。然而,在实际系统中观测得到的数据往往会受到各种各样的噪声影响,这些噪声往往没有显著的分布规律,导致系统状态估计的精确性降低。
目前常用的系统状态估计方法主要分为两种:一种是要求噪声的概率分布满足某种先验性假设,这也是很多传统的状态估计方法的要求,例如卡尔曼滤波:另一种是只要求噪声未知但有界的集员滤波方法。然而,在许多情况下,由于实际生产的过程中受到环境及传感器精度的影响,噪声的概率分布往往未知,或者系统受到了不能够满足假设条件的非高斯噪声的影响,这就限制了基于噪声概率分布的状态估计方法适用性。相比卡尔曼滤波算法,集员滤波算法仅需要已知噪声的上下界,也就是要求噪声满足未知但有界的条件,这一点在很多实际工程系统中是可以满足的。目前,集员滤波算法在目标跟踪和故障诊断等领域中得到了广泛的应用。

         技术路线

02


基于集员滤波的状态估计方法的核心在于,利用空间结构来描述系统真实状态可行集,并通过设计空间收缩策略,实现对系统状态的紧致包裹从而得到系统真值的可行集。目前常用的几何空间结构包括椭球、区间、全对称多胞体、超平行体等。本文选用的是超平行体。
粒子群算法则是模拟成鸟群借助集体的信息共享来寻找森林中食物最多位置的过程来进行迭代寻优的一种群智能算法,采用粒子群算法优化滤波过程的关键, 是需要给出尽量小的粒子搜索空间和目标。本文选用的是超平行体作为粒子搜索空间。
首先,利用包裹系统状态可行集的超平行空间的顶点构建正交超平行空间, 并将其作为粒子群迭代寻优的真实状态搜索空间。随后,利用系统的观测值构造适应度函数,判断粒子的优劣,驱动粒子在正交超平行空间移动,从而让粒子分布在真实状态附近。最后,将粒子群所处的不规则高似然区域用最小的外包正交超平行空间包裹,通过线性规划求解该正交超平行空间的上下界,获得系统状态的紧致包裹。通过搭建的锂电池SOC估计测试平台,验证了算法的有效性和实用性。

         价值和意义

03


应用本文提出的基于粒子群优化的正交超平行空间滤波算法,通过搭建的锂离子电池运行状态分析平台进行算法验证,可以直观看出该方法的可行性与有效性。本方法通过粒子群算法在正交超平行空间结构内进行迭代寻优,并通过线性规划的方法构建更加紧致包裹系统状态的正交超平行空间,在完成系统状态估计的同时,最终得到空间结构保守性更低,并拥有更低的空间冗余度。

本文提出的滤波状态估计方法适用于其他工业系统环境中未知但有界干扰下的系统的状态估计, 也可以拓展应用于化工过程故障诊断、发电机故障检测等其实际工程的状态监测与分析问题。该方法对于提高设备运行的可靠性、安全性和有效性,减少不必要的经济损失,提高经济效益和社会效益具有重要意义。基于本文,进一步的研究方向为把本文扩展到时变系统、非线性系统的状态估计领域。


主要作者介绍

王子赟,博士,江南大学物联网工程学院副教授、硕士生导师,兼任江苏省自动化学会物联网与控制专委会秘书长、江苏省自动化学会青年委员,担任Nonlinear DynamicsCircus Systems and Signal Processing《系统仿真学报》《控制工程》等国内外学术期刊和美国控制会议、中国控制会议等国内外学术会议审稿人。主要从事复杂系统故障诊断与优化控制、非线性系统建模、空间几何仿射滤波估计、动力电池先进制造与安全诊断领域的研究工作。

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