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本篇记录系统辨识课中的递归最小二乘原理。
如下的系统辨识模型:
{
y
(
1
)
=
φ
T
(
1
)
θ
+
v
(
1
)
y
(
2
)
=
φ
T
(
2
)
θ
+
v
(
2
)
.
.
.
y
(
t
)
=
φ
T
(
t
)
θ
+
v
(
t
)
设
:
Y
t
=
[
y
(
1
)
y
(
2
)
.
.
.
y
(
t
)
]
T
H
t
=
[
φ
(
1
)
φ
(
2
)
.
.
.
φ
(
t
)
]
T
V
t
=
[
v
(
1
)
v
(
2
)
.
.
.
v
(
n
)
]
T
有
:
Y
t
=
H
t
θ
+
V
t
\left \{
参数的最小二乘估计可表示为:
θ
^
L
S
=
(
H
t
T
H
t
)
−
1
H
t
T
Y
t
\hat\theta_{LS}=(H_t^TH_t)^{-1}H_t^TY_t
θ^LS=(HtTHt)−1HtTYt
上面的方法在每个新时刻的输入输出数据更新时,都要重估计,计算负载很大。
递归最小二乘估计采用了增量思路,推导如下:
P
−
1
(
t
)
=
H
t
T
H
t
=
∑
i
=
1
t
φ
(
i
)
φ
T
(
i
)
=
∑
i
=
1
t
−
1
φ
(
i
)
φ
T
(
i
)
+
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
=
P
−
1
(
t
−
1
)
+
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
)
=
(
H
t
T
H
t
)
−
1
H
t
T
Y
t
=
P
(
t
)
H
t
T
Y
t
=
P
(
t
)
[
H
t
−
1
T
φ
(
t
)
]
[
Y
t
−
1
T
y
(
t
)
]
T
=
P
(
t
)
H
t
−
1
T
Y
t
−
1
T
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
y
(
t
)
=
P
(
t
)
P
−
1
(
t
−
1
)
P
(
t
−
1
)
H
t
−
1
T
Y
t
−
1
T
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
y
(
t
)
=
P
(
t
)
P
−
1
(
t
−
1
)
θ
^
(
t
−
1
)
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
y
(
t
)
=
P
(
t
)
[
P
−
1
(
t
)
−
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
]
θ
^
(
t
−
1
)
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
y
(
t
)
=
θ
^
(
t
−
1
)
−
P
(
t
)
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
−
1
)
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
y
(
t
)
=
θ
^
(
t
−
1
)
+
P
(
t
)
φ
(
t
)
[
y
(
t
)
−
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
−
1
)
]
引
理
:
矩
阵
A
,
B
,
C
,
若
(
I
+
C
A
−
1
B
)
与
A
都
可
逆
,
则
:
(
A
+
B
C
)
−
1
=
A
−
1
−
A
−
1
B
(
I
+
C
A
−
1
B
)
−
1
C
A
−
1
P
−
1
(
t
)
=
P
−
1
(
t
−
1
)
+
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
把
后
面
的
式
子
取
逆
,
根
据
引
理
有
:
P
(
t
)
=
P
(
t
−
1
)
−
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
φ
T
(
t
)
P
(
t
−
1
)
1
+
φ
T
(
t
)
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
P
(
t
)
φ
(
t
)
=
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
1
+
φ
T
(
t
)
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
L
(
t
)
=
P
(
t
)
φ
(
t
)
P^{-1}(t)=H_t^TH_t=\sum_{i=1}^t \varphi(i)\varphi^T(i)=\sum_{i=1}^{t-1} \varphi(i)\varphi^T(i) + \varphi(t)\varphi^T(t) = P^{-1}(t-1)+ \varphi(t)\varphi^T(t) \\ \quad \\
于是,系统参数的递归最小二乘可表示为:
θ
^
(
t
)
=
θ
^
(
t
−
1
)
+
L
(
t
)
[
y
(
t
)
−
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
−
1
)
]
]
L
(
t
)
=
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
1
+
φ
T
(
t
)
P
(
t
−
1
)
φ
(
t
)
P
(
t
)
=
[
I
−
L
(
t
)
φ
T
(
t
)
]
P
(
t
−
1
)
,
P
(
0
)
=
p
0
I
,
p
0
=
inf
φ
(
t
)
=
[
.
.
.
]
\hat\theta(t)=\hat\theta(t-1)+L(t)[y(t)-\varphi^T(t)\hat\theta(t-1)]] \\ \quad \\ L(t)=\frac{P(t-1)\varphi(t)}{1+\varphi^T(t)P(t-1)\varphi(t)} \\ \quad \\ P(t)=[I-L(t)\varphi^T(t)]P(t-1), P(0)=p_0I, p_0=\inf \\ \quad \\ \varphi(t)=[...]
θ^(t)=θ^(t−1)+L(t)[y(t)−φT(t)θ^(t−1)]]L(t)=1+φT(t)P(t−1)φ(t)P(t−1)φ(t)P(t)=[I−L(t)φT(t)]P(t−1),P(0)=p0I,p0=infφ(t)=[...]
新息
e
(
t
)
=
y
(
t
)
−
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
−
1
)
e(t)=y(t)-\varphi^T(t)\hat\theta(t-1)
e(t)=y(t)−φT(t)θ^(t−1)
残差
ε
(
t
)
=
y
(
t
)
−
φ
T
(
t
)
θ
^
(
t
)
\varepsilon(t)=y(t)-\varphi^T(t)\hat\theta(t)
ε(t)=y(t)−φT(t)θ^(t)
当输入输出时间序列足够长时,新的输入输出对递归最小二乘估计结果没有贡献的现象,称为数据饱和。
P ( t ) = [ P − 1 ( t − 1 ) + φ ( t ) φ T ( t ) ] − 1 = > P ( t ) ≤ P ( t − 1 ) ( α I + 1 / p 0 ) t ≤ P − 1 ( t ) = P − 1 ( 0 ) + ∑ i = 1 t φ ( i ) φ T ( i ) ≤ ( β I + 1 / p 0 ) t lim t − > inf P − 1 ( t ) = 0 P(t)=[P^{-1}(t-1)+\varphi(t)\varphi^T(t)]^{-1} => P(t)\le P(t-1) \\ (\alpha I+1/p_0)t\le P^{-1}(t) = P^{-1}(0)+ \sum_{i=1}^t\varphi(i)\varphi^T(i) \le (\beta I+1/p_0)t \\ \lim_{t->\inf}P^{-1}(t) = 0 P(t)=[P−1(t−1)+φ(t)φT(t)]−1=>P(t)≤P(t−1)(αI+1/p0)t≤P−1(t)=P−1(0)+i=1∑tφ(i)φT(i)≤(βI+1/p0)tt−>inflimP−1(t)=0
θ ^ ( t ) = θ ^ ( t − 1 ) + L ( t ) [ y ( t ) − φ T ( t ) θ ^ ( t − 1 ) ] ] L ( t ) = P ( t − 1 ) φ ( t ) λ + φ T ( t ) P ( t − 1 ) φ ( t ) P ( t ) = 1 λ [ I − L ( t ) φ T ( t ) ] P ( t − 1 ) , P ( 0 ) = p 0 I , p 0 = inf φ ( t ) = [ . . . ] \hat\theta(t)=\hat\theta(t-1)+L(t)[y(t)-\varphi^T(t)\hat\theta(t-1)]] \\ \quad \\ L(t)=\frac{P(t-1)\varphi(t)}{\lambda+\varphi^T(t)P(t-1)\varphi(t)} \\ \quad \\ P(t)=\frac{1}{\lambda}[I-L(t)\varphi^T(t)]P(t-1), P(0)=p_0I, p_0=\inf \\ \quad \\ \varphi(t)=[...] θ^(t)=θ^(t−1)+L(t)[y(t)−φT(t)θ^(t−1)]]L(t)=λ+φT(t)P(t−1)φ(t)P(t−1)φ(t)P(t)=λ1[I−L(t)φT(t)]P(t−1),P(0)=p0I,p0=infφ(t)=[...]
本篇记录了递归最小二乘的推导,数据饱和现象以及解决方法。下篇将记录最小二乘中, φ T ( t ) \varphi^T(t) φT(t)的获取方法。
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