一類參數(shù)化PID觀測器的分析與設(shè)計

尹曉麗

(山西大學商務(wù)學院 基礎(chǔ)教學部，太原 030006)

0 引言

觀測器是根據(jù)系統(tǒng)的輸出估計系統(tǒng)狀態(tài)的一類系統(tǒng)。上世紀60年代初期，為了對無法直接觀測的控制系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)反饋，文獻[1-4]提出狀態(tài)觀測器的概念和構(gòu)造方法，解決了狀態(tài)不能直接量測的問題。觀測器技術(shù)自提出以來，在控制工程的許多方面得到了實際應(yīng)用，例如濾波[5]、擾動估計[6]、故障診斷[7]等。

為了降低觀測器的超調(diào)，一些學者試圖利用估計誤差的積分和導數(shù)信息改善觀測器性能：文獻[8]在觀測器設(shè)計中采用了誤差的比例積分反饋，改善了觀測器的性能；文獻[9]針對系統(tǒng)存在干擾情況，利用線性矩陣不等式設(shè)計了比例積分觀測器,在能量有界的外界干擾情況下,設(shè)計了具有干擾抑制的狀態(tài)觀測器,使得干擾對觀測器性能的影響被限制在一定范圍內(nèi)。以上文獻僅用到了誤差的比例和積分信息，未用到誤差的導數(shù)信息。文獻[10-11]利用廣義線性系統(tǒng)作為工具設(shè)計了一類PID觀測器，同時用到了誤差的比例，積分和微分信息，但設(shè)計過程較為復雜。針對觀測器的設(shè)計始終缺少一種像控制中的PID算法那樣能夠充分利用誤差的比例、積分和微分信息獲得比較滿意的性能和設(shè)計簡單的算法，本文提出的算法試圖彌補這一缺陷。

1 問題描述

本文考慮如下單輸入單輸出離散線性系統(tǒng)：

(1)

其中x∈Rn是系統(tǒng)狀態(tài)，u∈R是系統(tǒng)控制輸入，yx∈R是系統(tǒng)量測輸出。

針對系統(tǒng)(1)，設(shè)計狀態(tài)觀測器如下：

(2)

其中，z∈Rn是觀測器的狀態(tài)向量，uo(k)是待設(shè)計的觀測器調(diào)節(jié)項。yz∈R是觀測器的輸出。

令e=x-z，ye(k)=yx(k)-yz(k)，由(2)和(1)，得到狀態(tài)估計誤差系統(tǒng)如下：

(3)

僅僅利用估計誤差設(shè)計uo(k)的觀測器面臨收斂快、超調(diào)嚴重的問題，必須在抑制超調(diào)和加快收斂速度之間尋求一個折中方案，這是該類觀測器性能無法突破的瓶頸。為了提高收斂速度，同時避免超調(diào)，我們必須利用更多的量測誤差信息。因此，利用量測估計誤差及其時滯信息，設(shè)計觀測器(2)的調(diào)節(jié)項為：

uo(k)=K1ye(k)+K2ye(k-1)+K3ye(k-2)

(4)

其中，Ki∈Rn×1(i=1,2,3)是待設(shè)計參數(shù)矩陣。(4)中ye(k)、ye(k-1)、ye(k-2)的不同線性組合可以近似反映累積誤差、當前誤差、誤差變化率以及誤差變化加速度，選取適當?shù)膮?shù)矩陣K1、K2、K3便可以充分利用誤差的比例、積分、微分信號，以達到在加快收斂速度的同時在一定程度上避免大的超調(diào)。

下面，對觀測器參數(shù)設(shè)計進行理論分析?，F(xiàn)將(4)帶入(3)，得：

(5)

(6)

則

(7)

本文的目的是為系統(tǒng)(1)設(shè)計狀態(tài)觀測器(2)，使得誤差系統(tǒng)(3) 漸近穩(wěn)定。該問題等價于設(shè)計參數(shù)矩陣K使得系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定。

2 算法設(shè)計

本節(jié)將分析具有觀測器反饋項(4)的系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定的條件，并給出(4)的一種簡單參數(shù)設(shè)計方法。

(8)

(9)

則系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定。

證明：構(gòu)造一個Lyapunov函數(shù)：

V(k)=ψT(k)Pψ(k)

(10)

其中，P是待確定的正定矩陣。

(11)

則離散系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定的充要條件是：存在矩陣P>0，使得:

(12)

利用矩陣運算的性質(zhì)可得：

?

(13)

則

因此，若線性矩陣不等式組(8)-(9)成立，即(13)成立，則存在矩陣P>0，使得(12)成立，即離散線性系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定，證畢。

(14)

上述過程從理論上分析了觀測器設(shè)計方法的可行性。下面，提出一類簡單的參數(shù)設(shè)計方法，在實際使用中可以簡化參數(shù)的設(shè)計過程，無需進行復雜的數(shù)學計算，直接根據(jù)經(jīng)驗選取參數(shù)并適當調(diào)整，便可獲得滿意的觀測器估計效果。

(15)

其中α、β、γ都是標量，分別代表估計誤差比例項、積分項、微分項的權(quán)重。

設(shè)計估計誤差反饋增益

(16)

其中ki代表估計誤差反饋在觀測器不同通道上的增益，一般情況可以全部設(shè)置為1。將K的三個列向量作為Ki(i=1,2,3)帶入(4)，即得到系統(tǒng)(1)的狀態(tài)觀測器(2)。

3 仿真實驗

考慮以下線性系統(tǒng)：

(17)

其中，x∈R3表示狀態(tài)向量，u∈R表示控制信號，w表示擾動信號，y∈R為系統(tǒng)的輸出信號，這里將量測輸出信號設(shè)置為狀態(tài)向量的第2個分量，下面將利用觀測器對不能直接量測的第三個狀態(tài)變量進行估計。

系統(tǒng)(17)的參數(shù)配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)(17)的參數(shù)配置 (Matlab代碼表示)

系統(tǒng)狀態(tài)變量的初始狀態(tài)全部設(shè)置為0，仿真運行時間區(qū)間為：k從0到300。控制器信號取為：

u=0

(18)

擾動信號取為：

(19)

基于在算法設(shè)計部分所提方法，可以設(shè)計觀測器(2)的待定參數(shù)矩陣，見表2，其中觀測器狀態(tài)變量的初始值均設(shè)置為0。我們將觀察擾動發(fā)生后觀測器對系統(tǒng)狀態(tài)變量的估計是否快速準確且超調(diào)很小。

表2 觀測器參數(shù)(Matlab代碼表示)

設(shè)系統(tǒng)(17)的3個狀態(tài)分量分別為x1、x2、x3，其中x2為系統(tǒng)量測輸出，x1和x3為不可量測的待估計信號。對信號x3進行估計。當擾動導致系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，觀測器能對不可量測的狀態(tài)分量x3進行估計，并很快收斂到x3的真實軌跡。估計誤差過程中沒有發(fā)生明顯的超調(diào)。還可以根據(jù)(15)式所示的參數(shù)設(shè)計方法，適當調(diào)整參數(shù)α、β、γ的值以改變觀測器的收斂速度。該實驗充分說明了本文提出的參數(shù)設(shè)計方法是簡單有效，且完全可行的。

4 結(jié)論

本文針對單輸入單輸出離散線性系統(tǒng)給出了一種新的系統(tǒng)狀態(tài)觀測器設(shè)計方法，并從理論上證明了該方法的可行性。同時介紹了一種簡單實用的參數(shù)設(shè)計辦法。仿真結(jié)果表明，該觀測器對于系統(tǒng)任意設(shè)定的初始狀態(tài)，能以微小的超調(diào)很快達到收斂。該觀測器設(shè)計方法可用于改進基于觀測器輸出對被控對象進行控制的控制算法，將具有比較廣闊的應(yīng)用場景。

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