Processos Estocásticos - PET Engenharia Elétrica

Transcrição

Processos Estocásticos - PET Engenharia Elétrica
Universidade Federal do Ceará
Departamento de Engenharia Elétrica
Programa de Educação Tutorial
Plano Básico
Processos Estocásticos
Autores: Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
Orientadores: Diego de Sousa Madeira
Fernando Weslley Silva de Oliveira
Fortaleza, 28 de agosto de 2008
Índice
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Introdução
Probabilidade
Variáveis Aleatórias
Processos Estocásticos
Filtragem
Modelo de Espaço de Estados
Filtro de Kalman
Filtro de Kalman Estendido
Filtro de Partículas
Referências Bibliográficas
Agradecimentos
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
2
Introdução
• Sistemas reais
– Influências não inteiramente conhecidas
– Não se pode predizer com precisão arbitrária o
estado do sistema em um instante.
– Imprevisibilidade  Fenômeno aleatório
– Modelos determinísticos  Modelos probabilísticos
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
3
Probabilidade
• Experimento aleatório
– Não se pode afirmar, a priori, o resultado que
ocorrerá
– Condições de ensaio praticamente inalteradas 
Pode ocorrer resultados diferentes
– Após inúmeras repetições  Regularidades
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
4
Variáveis Aleatórias
Variáveis Aleatórias
• Uma variável aleatória x é uma função real, definida
em  tomando valores no conjunto e satisfazendo
às seguintes condições:
– O conjunto Ax    x    X  é um evento  X 
– P   x      P   x      0
x: 

Luís Paulo Carvalho dos Santos
x  
Luiz Fernando Almeida Fontenele
6
Função Distribuição de Probabilidade
• A Função Distribuição de Probabilidade (FDP) de
uma variável aleatória x é uma função Fx definida
por:
Fx :
X
Fx  X   P  AX 
com AX    x    X 
• Notação simplificada: Fx  X   P  x  X 
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7
Função Densidade de Probabilidade
• A Função Densidade de Probabilidade de uma
variável aleatória x é definida como a derivada de
sua função de probabilidade:
d
px  X  
Fx  X 
dx
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Luiz Fernando Almeida Fontenele
8
Função Densidade de Probabilidade
• Propriedades:
–
px  u  du  Fx  X 
X


– px  X   0
–
–




b
a
–
px  X  dX  1
px  X  dX  P  x   a, b
 p  X  dX  P  x  I 
I
x
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9
Função Densidade de Probabilidade
• Normal ou Gaussiana:
– Função Densidade de Probabilidade:
1
e
» px  X  
2
2
X m


2 2
, m
e  0
– Função Distribuição de Probabilidade:
 X m
Fx  X    px  X  dX  1  Q 


  
X
»
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,
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1
Q   
2

 e

u2
2
du
10
Funções de Variáveis Aleatórias
• Uma função real definida sobre os reais
g:
x  
g  x   
y: 

Luís Paulo Carvalho dos Santos
g  x   
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11
Definições
•
E  y   Yp y Y  dY
•
mx  E  x   Xpx  X  dX
•
E  x 2    X 2 px  X  dX
•
2
 2  E  x  mx    
•
rxy  E  xy   
•
k xy  E  x  mx   y  my   


 Valor esperado 









 


 Média 
 Valor médio quadrático 
 X  mx 
2
px  X  dX
XYpxy  X , Y  dXdY
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
 Variância 
 Correlação 
  X  m  Y  m  p  X ,Y  dXdY  Covariância 

 
x
y
xy
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12
Teorema do Limite Central
n
• Seja ym uma variável aleatória definida por yn   xi
i 1
x1 , x2 ,..., xn 
onde
são variáveis aleatórias
estatisticamente
independentes,
identicamente
distribuídas, todas com média m e variância  2 .
Então, a variável aleatória zn que caracteriza a
yn  m y
soma normalizada zn 
é tal que:
n
y
n
2
1  Z2
lim pxn  Z  
e
n 
2
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13
Processos Estocásticos
Processos Estocásticos
• É o mapa definido por:
x: 

F
x t,  , t  
x( 1,t)
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t
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15
Processos Estocásticos
• Classificação do Processo Estocásticos:
10
2
x( ,t)
x( ,t)
3
1
0
0
600
10
0
20
40
60
80
100
P.E. contínuo de parâmetro contínuo
400
x( ,t)
x( ,t)
5
200
0
-5
0
5
P.E. discreto de parâmetro contínuo
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0
2
4
6
8
10
P.E. contínuo de parâmetro discreto
5
0
0
2
4
6
8
10
P.E. discreto de parâmetro discreto
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16
Processos Estocásticos
• Especificação de 1ª ordem:
– Função Densidade de Probabilidade P  X 
é conhecida para todo t   .
• Especificação de 2ª ordem:
– Função Densidade de Probabilidade conjunta
pxt xt  X 1 , X 2  é conhecida para qualquer par de valores
1 2
(t1,t2).
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Processos Estocásticos
• Momentos de Processos Estocásticos
– Média de um Processo Estocástico
mx  t   E  x  t  
; t 
– Função Autocorrelação de um processo
Rx  t1 , t2   E  x  t1  x  t2  
; t1  , t2  
– Função Autocovariância
K x  t1 , t2   E  x  t1   mx  t1    x  t2   mx  t2  
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18
Processos Estocásticos
• Estacionaridade de ordem m
– Quando a função densidade de probabilidade de
ordem m não varia com um deslocamento no tempo,
isto é, quando:
pxt xt ... xt
1 2
m
 X1 , X 2 ,..., X m   px
Luís Paulo Carvalho dos Santos
t1 xt2 
... xtm 
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 X1 , X 2 ,..., X m  ; 
19
Processos Estocásticos
• Estacionariedade no Sentido Estrito:
– Quando o processo é estacionário de ordem m para
qualquer valor inteiro de m
• Estacionariedade no Sentido Amplo:
mx  t    x ; t
Rx  t1 , t2   Rx   ;   t2  t1
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20
Processos Estocásticos
• Ergodicidade
– Um processo x  t  é ergódico na forma mais geral se,
com probabilidade 1, todas as suas estatísticas
podem ser determinados através de uma única
função x t ,  do processo.

Luís Paulo Carvalho dos Santos

Luiz Fernando Almeida Fontenele
21
Processos Estocásticos
• Densidade Espectral de Potência:
S x  f   lim
XT  f 
t 
2
T

S x  f    Rx   e j 2 f  d

– Processos Estocásticos Estacionários no sentido
amplo:

S x  f    Rx  e j 2 f  d  F [ Rx  ]

Rx  t1 , t2   Rx  t1  t2 
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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22
Processos Estocásticos
• Ruído Branco
– Processo estacionário no sentido amplo;
– Densidade Espectral de Potência é constante:
Sx  f   C
– De S x  f   F [ Rx  ] permite expressar a função
autocorrelação do ruído branco:
Rx    C  
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Filtragem
Filtros
• Dispositivo em hardware ou software
A
p
l
i
c
a
d
o
• Conjunto de dados contaminados com ruído
P
a
r
a
• Extração da informação de interesse
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25
Filtros
• Áreas de Aplicação:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Navegação
Economia
Processamento de sinais e de imagem
Computação gráfica
Comunicações
Radar
Sonar
Sismologia
Engenharia biomédica
Redes neurais
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26
Filtros
• Característica comum:
– Vetor de entrada
– Resposta desejada
Calcula
Erro de Estimativa
Estima
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Luiz Fernando Almeida Fontenele
Conjunto de
coeficientes de
um filtro
27
Filtros
• Classes:
– Algoritmos de gradiente
» Filtro de Weiner
» Estimam o gradiente da superfície da função de custo
» Vantagem: baixa complexidade
– Algoritmos de mínimos quadrados
» Filtro de Kalman
» Minimizam a soma dos quadrados dos erros parciais
» Vantagens: baixa sensibilidade a mínimos locais da
superfície da função de custo; maior velocidade de
convergência
» Desvantagem: maior exigência computacional
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28
Filtragem Estocástica Não-linear
• Sistema dinâmico estocástico não-linear em tempo discreto:
xk  f  xk 1 , uk 1   wk
yk  h  xk   vk
em que x0,wk e vk são descorrelacionados
• Causas da não-linearidade:
–
f ( xk 1 , uk 1 ) não linear;
– Não linearidade de
h  xk 
– Erros de modelagem no processo e na medição, acarretando wk
e vk não gaussianos.
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Filtragem Estocástica Não-linear
• Filtros para sistemas estocásticos não-lineares:
– Filtro de Kalman Estendido: linearização local de primeira
ordem do modelo;
– Filtro de Segunda Ordem: linearização local de segunda ordem
do modelo;
– Filtro de Kalman Unscendent Transform: propagação da média
e matriz de covariância do modelo de processos usando a
Transformada Unscendent;
– Filtro de Monte Carlo Seqüencial: aproximação de
p(xk|y1,...,yk);
– Filtro Soma de Gaussianas: aproximação de p(xk|y1,...,yk) por
uma soma de gaussianas.
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30
Modelo de Espaço de Estados
Modelo Espaço de Estados
• Estado:
– Menor conjunto de variáveis que determina
completamente o comportamento do sistema para
qualquer instante, conhecendo-se a entrada
• Variáveis de Estado:
– Constituem o menor conjunto de variáveis capaz de
determinar o estado do sistema dinâmico
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
32
Modelo Espaço de Estados
• Vetor de Estado:
– Constituído por variáveis de estado para descrever
completamente o comportamento de um dado
sistema
• Espaço de Estados:
– Espaço n-dimensional, cujos eixos coordenados são
formados pelos eixos das variáveis de estado.
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Luiz Fernando Almeida Fontenele
33
Modelo Espaço de Estados
Modelo em Tempo Discreto
Modelo em Tempo Contínuo
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34
Modelo Espaço de Estados
• Equações no Espaço de Estados:
 x1,k 1  a11 x1,k  a12 x2,k  ...  a1n xn,k  b11,k u1,k  ...  b1mum, k

 x2,k 1  a21 x1,k  a22 x2,k  ...  a2 n xn,k  b21,k u1,k  ...  b2 mum,k


 xn ,k 1  an1 x1,k  an 2 x2,k  ...  ann xn,k  bn1,k u1,k  ...  bnmum,k

 x1,k 1   a11
x
 
 2,k 1    a21

 

 
 xn ,k 1   an1
a12
a22
an 2
xk 1  Axk  Buk
yk  Cxk  Duk
Luís Paulo Carvalho dos Santos
a1n   x1,k   b11 b12
 
a2 n   x2,k  b21 b22


   
   
ann   xn ,k  bn1 bn 2
b1m   u1,k 


b2 m   u2,k 


 

 
bnm  um,k 
xk 1  f  xk ; uk ; k 
yk  f  xk ; uk ; k 
Luiz Fernando Almeida Fontenele
35
Modelo Espaço de Estados
x  Vetor de estados
y  Vetor de saída
u  Vetor de entrada
A  Matriz de estados
B  Matriz de entrada
C  Matriz de saída
D  Matriz de transmissão direta
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36
Filtro de Kalman
Filtro de Kalman - Histórico
• 1960: Rudolf Emil Kalman
• Solução recursiva para problemas de filtragem
linear de dados discretos
• Engenharia Elétrica: Controle de sistemas
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38
Filtro de Kalman
• Definição:
– Ferramenta que permite estimar variáveis em vários
processos
– Eficiente processo recursivo de estimação, por meio
de um conjunto de equações matemáticas
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39
Filtro de Kalman
• Características:
– Minimiza a variância da estimação do erro
– Estima os parâmetros desconhecidos
– Baseado na distribuição normal do ruído de média
nula e variância constante
– O sistema deve ser linear, ou linearizável, em torno
de um ponto
– Os ruídos do sistema e das medições não são
correlacionados
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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40
Filtro de Kalman
• Áreas de Aplicação:
–
–
–
–
–
–
–
–
Navegação
Economia
Processamento de sinais e de imagem
Computação gráfica
Comunicação
Radar
Sismologia
Engenharia biomédica
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41
Filtro de Kalman
• Baseado no Modelo de Espaço de Estados (MEE)
• Modelo:
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42
Filtro de Kalman
• Dois tipos de equações:
– Atualização do tempo  Previsão
Retroalimentação
– Atualização da medição  Correção
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43
Filtro de Kalman
• Modelo Espaço de Estados:
– Variáveis observáveis: yk
– Variáveis de estado: xk
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44
Filtro de Kalman
• Modelo dinâmico
xk  Axk 1  k
(Modelo Dinâmico)
1 k  T
nk ~ N (0, Qk )
A : Relaciona o estado atual do processo com o estado anterior
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45
Filtro de Kalman
• Modelo de medição
uk  Hxk   k (Modelo de Medição)
1 k  T
 k ~ N (0, Rk )
H :Matriz de Correlação
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46
Filtro de Kalman
• Fase de atualização
1
Kk  Pk H T  HPk H T  Rk  (Ganho de Kalman)
xˆk  xˆk  Kk uk  Hxˆk  (Atualização de Estado)
Pk   I  Kk H  Pk (Atualização de covariância)
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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47
Filtro de Kalman
• Fase de previsão
xˆk  Axˆk1 (Previsão de Estado)
Pk  APk1 AT  Qk (Previsão de Covariância)
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
48
Filtro de Kalman
• Modelo dinâmico:
– Estima o estado atual xk
• Modelo de medição:
– Associa o estado de entrada à saída do sistema
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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49
Filtro de Kalman
• Definições:

– xˆk  Estado anterior no instante k
–
–
–
–
–
xˆk  Estado posterior no instante k
ek  xk  xˆk  Erro relativo anterior
ek  xk  xˆk  Erro relativo posterior
Pk  E ek  ekT 
 Estimativa do erro anterior
Pk  E ek  ek T   Estimativa do erro posterior
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50
Filtro de Kalman
• Teorema: Estimador médio condicional
– “Se os processos estocásticos xk  e  y  são
gaussianos, então o estado estimado ótimo que
minimiza o erro médio quadrático J k é o estimador
médio condicional xˆk  E  xk  y1 , y2 ,..., yk  “
k
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51
Filtro de Kalman
• Teorema: Princípio da ortogonalidade
– “Sejam os processos estocásticos xk  e  yk 
média nula, isto é: Exk   Eyk   0, k . Então:
» Os processos estocásticos xk  e  yk 
de
são
gaussianos;
» Se o estado estimado ótimo xˆk é uma função
linear de variáveis observáveis y1 , y2 ,..., yk e a
função custo é o erro médio quadrático, então
o estado estimado ótimo é a projeção
ortogonal de xk no espaço dessas variáveis
observáveis”
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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52
Filtro de Kalman
Atualização do
Tempo

k
P  APk 1 A  Qk
T
Avançar a
covariância
no tempo
Avançar o
estado no
tempo

k
xˆ  Axˆk 1
Estimativas
iniciais
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Atualização das
Medições
xˆk 1
e
Calcular o
ganho de
Kalman
K k  Pk H T  HPk H T  Rk 
Atualizar a
variável de
estado
xˆk  xˆk  K k uk  Hxˆk 
Atualizar a
matriz de
covariância
Pk   I  K k H  Pk
1
Pk 1
Luiz Fernando Almeida Fontenele
53
Aplicação
Estimação de Trajetórias
Aplicação
• Equações do movimento:
1
2
– x  x0  v0t  at 2
– v  v0  at
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
1 2 
 x  1 t   x0 
t
 v   0 1   v   a   2 
 t 
  
  0


55
Aplicação
• Equação do movimento com ruídos:
1 2
– x  x0  v0t  at  x0~
2
– v  v0  at  v0~
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
1 2 
 x  1 t   x0 
 2 t   w~



a

0
 v  0 1  v 


  
  0
 t 
56
Aplicação
• Diagrama de blocos:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
57
Aplicação
• Equação de estado:
xk 1  Axk  Buk  wk
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
58
Aplicação
• Equação de saída:
yk  Cxk  zk
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
59
Aplicação
• Estimação do estado posterior:
xˆk 1  Axˆk  Buk  Kk  yk 1  Cxˆk 
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
60
Aplicação
• Posição:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
61
Aplicação
• Erro da posição:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
62
Aplicação
• Erro relativo da posição:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
63
Aplicação
• Velocidade:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
64
Aplicação
• Erro da velocidade:
Luís Paulo Carvalho dos Santos
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65
Filtro de Kalman Estendido
Filtro de Kalman Estendido
• Considere o modelo do processo:
xk  f  xk 1 , uk 1   wk
em torno de xˆk 1 , usando a expansão de em série de
Taylor tem-se:
f  xˆk 1 , uk 1 
f  xk 1 , uk 1   f  xˆk 1 , uk 1  
 xk 1  xˆk 1 
xˆk 1
Assim o modelo pode ser reescrito na forma:
f  xˆk 1 , uk 1 
xk  f  xˆk 1 , uk 1  
 xk 1  xˆk 1   wk
xˆk 1


f  xˆk 1 , uk 1 
f  xˆk 1 , uk 1 
ˆ
ˆ

xk 1   f  xk 1 , uk 1  
xk 1   wk
xˆk 1
xˆk 1


Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
67
Filtro de Kalman Estendido
xk  Ak 1 xk 1  u 'k 1  wk
• Sendo que:
f  xˆk 1 , uk 1 
Ak 1 
xˆk 1
u 'k 1  f  xk 1 , uk 1   Ak  xˆk 1
• A linearização deve ocorrer em relação ao modelo de medição:
yk  h  xk   vk
que em torno das predição de
h  xk   h  xˆk|k 1  
Luís Paulo Carvalho dos Santos
xˆk |k 1 :
h  xˆk|k 1 
xˆk|k 1
Luiz Fernando Almeida Fontenele
x
k
 xˆk|k 1 
68
Filtro de Kalman Estendido
• Portanto, tem-se:
yk  h  xˆk |k 1  
yk  h  xˆk |k 1  
h  xˆk |k 1 
xˆk |k 1
h  xˆk |k 1 
xˆk |k 1
x
k
 xˆk |k 1   vk
xˆk |k 1 
h  xˆk |k 1 
xˆk |k 1
xk  vk
y 'k  Ck xk  vk
sendo:
Ck 
h  xˆk |k 1 
xˆk |k 1
Luís Paulo Carvalho dos Santos
y 'k  yk  h  xˆk |k 1   Ck xˆk |k 1
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69
Filtro de Kalman Estendido
• Deste modo, temos o sistema linearizado:
xk  Ak 1 xk 1  u 'k 1  wk
y 'k  Ck xk  vk
• Portanto, agora se pode aplicar as Equações de Kalman.
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70
Filtro de Kalman Estendido
• Fase de Predição (entre tk-1 e tk):
xˆk |k 1  E  f  xk 1 , uk 1   wk | y1 ,..., yk 1
 f  xˆk 1 , uk 1 
T
P

A
P
A
com k |k 1
k 1 k 1 k 1  Qk
f  xˆk 1 , uk 1 
Ak 1 
xˆk 1
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71
Filtro de Kalman Estendido
• Fase de Correção (no instante tk):
xˆk  xˆk |k 1  Gk  y 'k  Ck xˆk |k 1 

G y
 xˆk |k 1  Gk yk  h  xˆk |k 1   Ck xˆk |k 1  Ck xˆk |k 1
 xˆk |k 1
k
k
 h  xˆk |k 1 

Pk   I  Gk Ck  Pk |k 1
  I  Gk Ck  Pk |k 1  I  Gk Ck   Gk Rk GkT
T
Gk  Pk |k 1C
T
k
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C P
k
C  Rk 
k |k 1
T
k
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1
72

Aplicação
Motor bifásico de imã permanente síncrono
Aplicação
• Equações que definem o motor:
dI a  R
ua  ua


Ia 
sin  
dt
L
L
L
dI b  R
ub  ub


Ib 
cos  
dt
L
L
L
d  3
3
B

I a sin  
I b cos  
dt
2J
2J
J
d

dt
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•
Raresistência do rotor
•
L indutância da
armadura
•
 constante do motor
• J Momento de inércia
• B Coeficiente de atrito
viscoso
74
Aplicação
• Entrada do sistema:
ua  t   sin 2 t
ub  t   cos 2 t
• O sistema de equações é:
Ia 
I 
x   b
 
 
 
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75
Aplicação
• Estado Espaço para o sistema:
xk 1  f  xk , uk   wk


 Rxk 1 / L  xk  3  sin xk  4  / L  ua / L



Rx
2
/
L

x
3

cos
x
4
/
L

u
/
L
k  
k  
k  
b



 3 xk 1 sin xk  4  / 2 J  3 xk  2  cos xk  4  / 2 J  Bxk  3  / J 


x
3
k  


 uak / L 
 u / L 
t   ak  t
  


0


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76
Aplicação
• Equação de Medição:
yk  h  xk   vk
 xk 1  vak 

 
 xk  2    vbk 
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77
Aplicação
• Após a linearização:
Ak  f '  xˆk , uk 

R / L

0

 3 sin xˆk  4  / 2 J

0

0
R / L
3 cos xˆk  4  / 2 J
0
 sin xˆk  4  / L
 cos xˆk  4  / L
B / J
1
xˆk  3  cos xˆk  4  / L
xˆk  3  sin xˆk  4  / L



3  xˆk 1 cos xˆk  4   xˆk  2  sin xˆk  4   / 2 J 

0

Ck  h '  xˆk 
1 0 0 0 


0 1 0 0 
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78
Aplicação
• Suposições
– Va e Vb com média zero e desvio padrão de 0.1A;
– Entrada de controle com média zero e desvio
padrão de 0.001A;
– Ruído devido ao torque da carga com desvio
padrão de 0.05rad/s2.
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79
Aplicação
• Dados:
Ra  2;
L  0.003H ;
  0.1;
J  0.002;
B  0.001
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80
Aplicação
• Conclusões:
– Dispensa o uso de transdutores;
– Para um tempo maior que 2ms, há uma grande
discrepância nos resultados;
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81
Filtro de Partículas
Motivação
• Filtro de Kalman:
– Aplicado apenas para sistemas lineares;
• Filtro de Kalman Estendido:
– Sistemas não-lineares;
– Propagação da média e da covariância nos estágios;
– Desvantagem:
» Esforço computacional;
» Estimativa grotesca se o sistema se o ponto é distante
do ponto de equilíbio.
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83
Filtro de Partículas
• Dado a Equação de Estado:
xk 1  fk  xk , wk 
• Equação de Medição:
yk   hk , vk 
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84
Filtro de Partículas
• Calcula recursivamente p  xk | Yk  ;
• Essencialmente consiste de duas fases:
– Fase de predição:
p  xk 1 | Yk 1   p  xk | Yk 
– Fase de Atualização:
p  xk | Yk 1   p  xk | Yk 
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85
Filtro de Partículas
• Etapa de Predição:
p  xk | Yk 1    p  xk , xk 1 | Yk 1  dxk 1
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86
Filtro de Partículas
• Etapa de Predição:
p  xk | Yk 1    p  xk , xk 1 | Yk 1  dxk 1
  p  xk , xk 1 | Yk 1  p  xk 1 | Yk 1  dxk 1
– Fatorando: p  a, b | c   p  a | b, c  . p  b | c 
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87
Filtro de Partículas
• Etapa de Predição:
p  xk | Yk 1    p  xk , xk 1 | Yk 1  dxk 1
  p  xk , xk 1 | Yk 1  p  xk 1 | Yk 1  dxk 1
  p  xk | xk 1  p  xk 1 | Yk 1  dxk 1
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88
Filtro de Partículas
• Equação de Atualização:
p  yk | xk   p  xk | Yk 1 
p  xk | Yk  
p  yk | Yk 1 
probabilidade  anterior
posterior 
evidente
p  yk | Yk 1    p  yk | xk   p  xk | Yk 1  dxk
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89
Filtro de Partículas
• Inviabilidade na resolução de integrais exigidas pelo
filtro recursivo analiticamente.
• Representa-se a probabilidade posterior por um
conjunto de pesos amostrais escolhidas
aleatoriamente.
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90
Filtro de Partículas - Algoritmo
• As equações do Sistema e de Medição são dadas
por:
xk 1  f  xk , wk 
yk  h  xk , vk 
em que wk e vk são ruídos brancos independentes;
• Dado p(x0) conhecido,
gerar

aleatoriamente x0,i  i  1,..., N .
N
partículas
• Para k=1,2,..., fazer o seguinte:
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91
Filtro de Partículas - Algoritmo


x

f
x
 k 1,i , wk 1,i 
– k ,i
– Determina a probabilidade relativa por:
qi  p  yk | xk,i 
– Normalizar os pesos:
qi 
qi
N
q
i 1
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i
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92
Filtro de Partículas - Algoritmo

x
– Reamostragem: gerar um conjunto de k ,i com base
de qi tal que a função distribuição de probabilidade
de xk ,i tende para p  xk | yk  .
– Determinar a estatística
desejada usando o conjunto

p
x
|
y

x
k
k .
k
,
i
de partículas
que possuem distribuição
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93
Filtro de Partículas - Algoritmo
• Problema da Degeneração:
– Esforço computacional;
– Determinada pelo tamanho amostral efetivo:
1
N ef  N
2
  wk  i  
i 1
– Na aplicação, a reamostragem será feita quando:
2
N ef  N
3
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94
Filtro de Partículas - Algoritmo
• Reamostragem:
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95
Aplicação
Sistema Não-linear
Sistema não-linear
• Dada a equação diferencial não-linear:
25 xk 1
1
xk  xk 1 
 8cos 1.2  k  1   wk
2
2
1  xk 1
1 2
yk 
xk  vk  h  xk   vk
20
wk  0,1 ; vk  0,1
• Número de partículas: 100
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
97
Referências Bibliográficas
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FINAMORE, Weiler Alves.
Modelos probabilísticos em
engenharia elétrica. Rio de Janeiro, 2003.
• ANTENEODO, Celia. Processos estocásticos. Rio de Janeiro:
2004.
• ARULAMPALAM, M. Sanjeev; MASKELL, Simon; GORDON, Neil;
CLAPP, Tim. A tutorial on particle filters for online
nonlinear/non-Gaussian bayesian tracking. 2002.
• BITENCOURT JUNIOR, Hudson; TÔRRES, Leonardo A. B.;
AGUIRE, Luís Antônio. O filtro de Kalman para sistemas nãolineares. Belo Horizonte.
• CAMPOS, Victor A. F.; SANTANA, Douglas, D. S.; FURUKAWA,
Celso M.; MARUYAMA, Newton. Filtros de partículas aplicados à
estimação de trajetórias. São Paulo.
• CHAUDHARI, Sachin. The particle filter.
• CORREIA, Miguel Velhote. Filtro de Kalman. 2005.
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
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Referências Bibliográficas
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DORF, Richard C. Sistemas de Controle Moderno. LTC: Rio de Janeiro,
2001
HAYKIN, Simon. Kalman filtering and neural networks. Nova Iorque:
John Wiley & Sons, 2001.
JULIER, Simon J.; UHLMANN, Jeffrey K.A new extension of the Kalman
filter to nonlinear systems. Oxford.
MARQUES, Paulo Alexandre C. Introdução à filtragem adaptativa.
Lisboa.
OGATA, Katsuhiko. Discrete-time control systems. Prentice Hall: 1995.
SANTANA, Douglas D. S.; CAMPOS, Victor A.; FURUKAWA, Celso M.;
MARUYAMA, Newton. Estimação de trajetórias utilizando sistema de
navegação inercial strapdown. São Paulo.
SIMON, Dan. Kalman filtering. 2001.
– Kalman filter using nonlinear Kalman filtering to estimate signals.
WELCH, Greg; BISHOP, Gary. An introduction to the Kalman filter.
ACM: 2001.
Luís Paulo Carvalho dos Santos
Luiz Fernando Almeida Fontenele
99
Agradecimentos