While information theory has been introduced to investigate and characterize the control and filtering limitations for a few decades, the existing information-theoretic methods are indirect and cumbersome for analyzing the fundamental limitations of continuous-time systems. To answer this challenge, we lift the information-theoretic analysis to continuous function spaces of infinite dimensions by using Duncan's theorem or the I-MMSE relationships. Continuous-time control and filtering systems are modeled as an additive Gaussian channel with or without feedback, and total information rate is identified as a control and filtering trade-off metric and directly computed from the estimation error of channel input. Inequality constraints for the trade-off metric are derived in a general setting and then applied to capture the fundamental limitations of various control and filtering systems subject to linear and nonlinear plants. For the linear systems, we show that total information rate has similar properties as some established trade-offs, e.g., Bode-type integrals and minimum estimation error. For the nonlinear systems, we provide a direct method to compute the total information rate and its lower bound by the Stratonovich-Kushner equation.


翻译:虽然几十年来一直采用信息理论来调查和确定控制和过滤限制,但现有的信息理论方法在分析连续时间系统的基本限制方面是间接和繁琐的,而且对分析连续时间系统的基本限制是间接和繁琐的。为了应对这一挑战,我们通过使用邓肯的理论或I-MMSE关系,将信息理论分析提升到无限的连续功能空间。连续时间控制和过滤系统建模为带有或没有反馈的添加式高尔西亚频道,总信息率被确定为一种控制和过滤取舍的衡量标准,并且直接从频道输入的估计错误中计算。对交易衡量标准的不平等限制是在一般情况下产生的,然后用于捕捉受线性和非线性工厂制约的各种控制和过滤系统的基本限制。对于线性系统,我们表明总信息率与某些既定的取舍具有相似的特性,例如,Bode型集成和最小估计错误。对于非线性系统,我们提供了一种直接的方法来计算总信息率及其受Stratonovich-Kushner等方程式约束程度较低的部分。

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