Введение
Система в теории управления
В теории управления наблюдатель состояния, или оценщик состояния, — это система, предоставляющая оценку внутреннего состояния заданной реальной системы на основе измерений её входа и выхода. Обычно он реализуется с помощью компьютера и является основой для многих практических приложений. Знание состояния системы необходимо для решения множества задач теории управления, например, для стабилизации системы с обратной связью по состоянию. В большинстве практических случаев физическое состояние системы нельзя определить прямым наблюдением. Вместо этого косвенные проявления внутреннего состояния наблюдаются через выходные сигналы системы. Простой пример — транспортные средства в тоннеле: скорость, с которой автомобили въезжают и выезжают из тоннеля, можно наблюдать непосредственно, но точное состояние внутри тоннеля можно только оценить. Если система наблюдаема, то возможно полностью восстановить её состояние на основе выходных измерений с помощью наблюдателя состояния.
Типичная модель наблюдателя
Линейные, наблюдатели с задержкой, наблюдатели скользящего режима, наблюдатели с высоким коэффициентом усиления, наблюдатели на основе времени Tau, наблюдатели, основанные на однородности, расширенные и кубические наблюдатели – это лишь некоторые из структур наблюдателей, используемых для оценки состояния линейных и нелинейных систем. Линейная структура наблюдателя описана в следующих разделах.
Пикирование и другие методы наблюдения
Когда коэффициент усиления наблюдателя высок, линейный наблюдатель Луенбергера очень быстро сходится к состояниям системы. Однако высокое усиление наблюдателя приводит к пиковому эффекту, при котором начальная ошибка оценки может быть недопустимо велика (то есть непрактична или небезопасна в использовании). В связи с этим, существуют нелинейные методы наблюдения с высоким усилением, которые быстро сходятся без пикового эффекта. Например, управление по скользящему режиму может быть использовано для разработки наблюдателя, который обнуляет ошибку одной оцениваемой переменной состояния за конечное время, даже при наличии ошибки измерения; ошибка остальных переменных ведет себя аналогично ошибке в наблюдателе Луенбергера после спада пика. Наблюдатели по скользящему режиму также обладают привлекательными свойствами устойчивости к шумам, схожими с фильтром Калмана. Другой подход – применение многонаблюдательной системы, которая значительно улучшает переходные характеристики и уменьшает перерегулирование наблюдателя. Многонаблюдательная система может быть адаптирована к любой системе, где применим наблюдатель с высоким усилением.