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Performance guarantees for optimization-based state estimation using turnpike properties

Titelangaben

Schiller, Julian D. ; Grüne, Lars ; Müller, Matthias A.:
Performance guarantees for optimization-based state estimation using turnpike properties.
Bayreuth ; Hannover , 2025 . - 16 S.
DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.18385

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Angaben zu Projekten

Projekttitel:
Offizieller Projekttitel
Projekt-ID
Stochastic Optimal Control and MPC – Dissipativity, Risk and Performance
GR 1569/25-1, BA 7477/3-1, project no. 499435839
Robuste Stabilität und Suboptimalität bei der Zustandsschätzung mit bewegtem Horizont---Von konzeptionellen zu praktisch relevanten Garantien
project no. 426459964

Projektfinanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Abstract

In this paper, we develop novel accuracy and performance guarantees for optimal state estimation of general nonlinear systems (in particular, moving horizon estimation, MHE). Our results rely on a turnpike property of the optimal state estimation problem, which essentially states that the omniscient infinite-horizon solution involving all past and future data serves as turnpike for the solutions of finite-horizon estimation problems involving a subset of the data. This leads to the surprising observation that MHE problems naturally exhibit a leaving arc, which may have a strong negative impact on the estimation accuracy. To address this, we propose a delayed MHE scheme, and we show that the resulting performance (both averaged and non-averaged) is approximately optimal and achieves bounded dynamic regret with respect to the infinite-horizon solution, with error terms that can be made arbitrarily small by an appropriate choice of the delay. In various simulation examples, we observe that already a very small delay in the MHE scheme is sufficient to significantly improve the overall estimation error by 20-25 % compared to standard MHE (without delay). This finding is of great importance for practical applications (especially for monitoring, fault detection, and parameter estimation) where a small delay in the estimation is rather irrelevant but may significantly improve the estimation results.

Weitere Angaben

Publikationsform: Preprint, Postprint
Keywords: Moving horizon estimation (MHE); estimation; nonlinear systems; optimal control; turnpike property
Institutionen der Universität: Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Mathematisches Institut > Lehrstuhl Mathematik V (Angewandte Mathematik) > Lehrstuhl Mathematik V (Angewandte Mathematik) - Univ.-Prof. Dr. Lars Grüne
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Mathematisches Institut > Lehrstuhl Angewandte Mathematik
Profilfelder > Advanced Fields > Nichtlineare Dynamik
Fakultäten
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Mathematisches Institut
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Mathematisches Institut > Lehrstuhl Mathematik V (Angewandte Mathematik)
Profilfelder
Profilfelder > Advanced Fields
Titel an der UBT entstanden: Ja
Themengebiete aus DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
Eingestellt am: 31 Jan 2025 11:15
Letzte Änderung: 31 Jan 2025 11:15
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/92262