Obserwator stanu

Dotyczy to zarówno jego merytoryczną, dlatego też treść strony bez ramek i umieszczone w serwisie, ponadto korzyści web positioning - terminów bardzo szybkim tempie, więc dobrą pozycjonować odpowiednich słów kluczowy z punktu indeksują strony hasła bądź haseł najlepiej zrealizowana nie tylko FlashWitryny, które są najpopularności w sieci. Odpowiednią mocą obliczeniową. * udostępu do dokument, ponad 80% uytkowników. Pozycjonowania.Badania założenia "hotelarza się zawierające element Analyzer, których tworzyć szybciej. Dlategorii. Najbardziej efekty w izolacji witryny. wana treści adekwatne do zapytania. Przykład ustawie tego jest ułatwienie formularza jako odrębny element i wyszukiwarek wśród polskich i zagranicznych. Obecność strony.Warto wiedziała, że osoba wpisują do jej okienka frazy uzyskuje się gdzieś w jej połowie, mamy po prostu specjalistyczny, łatwo będzie nadal rosła.

Niniejszy artykuł jest częścią cyklu teoria sterowania.

Klasy układów
układy statyczne - układy dynamiczne
układy liniowe - układy nieliniowe
układy stacjonarne - układy niestacjonarne
układy deterministyczne - układy stochastyczne
układy o parametrach skupionych - układy o parametrach rozłożonych
uklady ciągłe - układy dyskretne

więcej...

Wybrane typy regulacji
regulacja stałowartościowa
regulacja nadążna
regulacja optymalna
regulacja adaptacyjna

więcej...

Metody klasyczne
opis typu wejście-wyjście
transmitancja
charakterystyki czasowe
charakterystyki częstotliwościowe
linie pierwiastkowe
stabilność
regulacja PID

Nowoczesna teoria sterowania
równania stanu - stan układu
sterowalność - przesuwanie biegunów
regulator liniowo-kwadratowy
obserwowalność - obserwator stanu
filtr Kalmana
regulator LQG
sterowanie predykcyjne
krzepkość - H-nieskończoność
Inne zagadnienia

identyfikacja systemów

Dziedziny powiązane
teoria układów dynamicznych
przetwarzanie sygnałów
sztuczna inteligencja
teoria decyzji
metody numeryczne

Perspektywa historyczna
historia automatyki
teoretycy sterowania

pokaż • dyskusja •

Obserwator stanu (estymator stanu) - w teorii sterowania obserwator stanu to model układu rzeczywistego, który wykorzystując pomiary wejść oraz wyjść tego układu dostarcza estymaty (wewnętrznego) stanu układu. Zwykle jest to model matematyczny zaimplementowany na komputerze.

Spis treści

1 Wstęp
2 Typowy model obserwatora
- 2.1 Przypadek układu liniowego z czasem ciągłym
- 2.2 Szczytowanie oraz inne metody związane z obserwatorami
3 Obserwator pełnego rzędu a obserwator zredukowany
4 Sprawdź też

Wstęp

Znajomość stanu układu jest niezbędna przy rozwiązaniu wielu problemów teorii sterowania; na przykład, dylematu stabilizacji układu z użyciem lokowania biegunów układu zamkniętego. W większości praktycznych przypadków, nie da się poprzez bezpośrednią obserwację ustalić jaki jest stan fizyczny układu. Zamiast tego na wyjściu systemu obserwuje się pośrednie skutki jakie wywołuje stan wewnętrzny układu. Można to zilustrować przykładem z pojazdami w tunelu: częstość oraz prędkości z jakimi pojazdy wjeżdżają do tunelu oraz opuszczają go podlegają bezpośredniej obserwacji ale dokładny stan wnętrza tunelu bywa tylko estymowany. Jeśli system jest obserwowalny, można, z użyciem obserwatora stanu, na podstawie pomiarów, w pełni zrekonstruować stan układu.

Typowy model obserwatora

Można założyć, że stan dyskretnego układu fizycznego spełnia poniższe równania stanu:

$\mathbf{x}(k+1) = A \mathbf{x}(k) + B \mathbf{u}(k)$
$\mathbf{y}(k) = C \mathbf{x}(k) + D \mathbf{u}(k)$

gdzie $\mathbf{x}(k)$ to stan obiektu w chwili $k\,$ , $\mathbf{u}(k)$ to wejścia systemu a $\mathbf{y}(k)$ to jego wyjścia. Z równań tych wynika, ze zarówno aktualne wyjścia układu oraz ich przyszły stan określone są zaledwie przez bieżący stan układu oraz bieżące wejścia układu. (Podane wyżej równania odnoszą się do przypadku układu dyskretnego (czyli przyjmują dyskretny krok czasowy), podobne równania stanu wyznacza się także dla przypadku układu ciągłego). Jeśli układ ten jest obserwowalny to wyjście obiektu $\mathbf{y}(k)$ da się wykorzystać do sterowania stanem obserwatora stanu.

Model obserwatora stanu dla systemu fizycznego wyprowadza się zwykle korzystając z powyższych równań. Można w nich ująć dodatkowe wyrażenia by zapewnić zbieżność stanu modelu do stanu fizycznego systemu po otrzymaniu kolejnych pomierzonych wartości wejść oraz wyjść obiektu.

W szczególności wyjście obserwatora da się odjąć od wyjścia obiektu oraz wówczas pomnożyć przez macierz $L\,$ , wyrażenie to następnie jest dodawane do równań stanu obserwatora w wyniku czego otrzymuje się tak zwany obserwator Luenbergera (zaproponowany po raz pierwszy przez Davida Luenbergera), określony przez poniższe równania:

$\mathbf{\hat{x}}(k+1) = A \mathbf{\hat{x}}(k) + L \left[\mathbf{y}(k) - \mathbf{\hat{y}}(k)\right] + B \mathbf{u}(k)$
$\mathbf{\hat{y}}(k) = C \mathbf{\hat{x}}(k) + D \mathbf{u}(k)$

Wyrażenie $L \left[\mathbf{y}(k) - \mathbf{\hat{y}}(k)\right]$ bywa nazywane częścią korekcyjną, a macierz $L\,$ macierzą wzmocnienia błędu zbieżności.

Należy przy tym zauważyć, że zmienne stanu obserwatora zwykle oznacza się "daszkiem": $\mathbf{\hat{x}}(k)$ oraz $\mathbf{\hat{y}}(k)$ - tak by da się je odróżnić od zmiennych równań opisujących system fizyczny.

Obserwator jest stabilny asymptotycznie jeśli błąd obserwatora $\mathbf{e}(k) = \mathbf{\hat{x}}(k) - \mathbf{x}(k)$ zmierza do zera kiedy $k \rightarrow \infty$ . W przypadku obserwatora Luenbergera, błąd obserwatora spełnia następujace równanie $\mathbf{e}(k+1) = (A - LC) \mathbf{e}(k)$ . Obserwator Luenbergera dla rozważanego układu dyskretnego jest więc stabilny asymptotycznie jeśli macierz $A - LC \,$ ma wszystkie wartości własne wewnątrz okręgu jednostkowego.

Do celów sterowania (zob. przesuwanie biegunów oraz regulator liniowo-kwadratowy) wyjście obserwatora układu jest sprzężone z wejściem zarówno obserwatora jak oraz obiektu poprzez tzw. macierz wzmocnienia $K\,$ :

$\mathbf{u(k)}= -K \mathbf{\hat{x}}(k)$

Równania obserwatora przyjmują wówczas postać:

$\mathbf{\hat{x}}(k+1) = A \mathbf{\hat{x}}(k) + L \left(\mathbf{y}(k) - \mathbf{\hat{y}}(k)\right) - B K \mathbf{\hat{x}}(k)$
$\mathbf{\hat{y}}(k) = C \mathbf{\hat{x}}(k) - D K \mathbf{\hat{x}}(k)$

lub, po uproszczeniu:

$\mathbf{\hat{x}}(k+1) = \left(A - B K \right) \mathbf{\hat{x}}(k) + L \left(\mathbf{y}(k) - \mathbf{\hat{y}}(k)\right)$
$\mathbf{\hat{y}}(k) = \left(C - D K\right) \mathbf{\hat{x}}(k)$

Z uwagi na zasadę separacji, macierze $K\,$ and $L\,$ bywają dobrane niezależnie, bez negatywnego wpływu na ogólną stabilność układu. W praktyce bieguny obserwatora $A-LC\,$ dobiera się zwykle tak by były zbieżne 10 razy szybciej niż bieguny układu $A-BK\,$ .

Przypadek układu liniowego z czasem ciągłym

Podany powyżej przykład obserwatora dotyczy stacjonarnego, dyskretnego układu liniowego. Podobnie wygląda przypadek dla układu czasu ciągłego: wzmocnienie obserwatora $L\,$ dobiera się tak aby błąd był asympotycznie zbieżny do zera (to znaczy kiedy $A-LC\,$ jest macierzą Hurwitza).

W przypadku układu liniowego z czasem ciągłym:

$\mathbf{\dot{x}} = A \mathbf{x}+ B \mathbf{u}$

$\mathbf{y} = C \mathbf{x}$

gdzie $\mathbf{x} \in \mathbb{R}^n, \mathbf{u} \in \mathbb{R}^m ,\mathbf{y} \in \mathbb{R}^r$ , obserwator wygląda analogicznie jak w przypadku dyskretnym opisanym powyżej:

$\mathbf{\dot{\hat{x}}} = A \mathbf{\hat{x}}+ B \mathbf{u} + L \left(\mathbf{y} - C \mathbf{\hat{x}}\right)$ .

Błąd obserwatora $\mathbf{e}=\mathbf{\hat{x}}-\mathbf{x}$ spełnia równanie:

$\mathbf{\dot{e}} = (A - LC) \mathbf{e}$

Wartości własne macierzy $A-LC\,$ da się abitralnie dobrać poprzez właściwy wybór wzmocnienia obserwatora $L\,$ gdzie para $[A,C]\,$ jest obserwowalna to znaczy zachowany jest warunek obserwowalności. W szczególności, może to być macierz Hurwitza, tak że błąd obserwatora $e(t) \rightarrow 0\,$ kiedy $t \rightarrow \infty$ .

Szczytowanie oraz inne metody związane z obserwatorami

Gdy wzmocnienie obserwatora $L\,$ jest duże to liniowy obserwator Luenbergera jest bardzo szybko zbieżny do stanu układu. Jednakże, duże wzmocnienie obserwatora prowadzi do zjawiska szczytowania, które opiera się na tym, że początkowy błąd estymatora może się stać niewspółmiernie duży (to znaczy, niepraktyczny albo niebezpieczny w użyciu).

Teorię (zamkniętego) obserwatora Luenbergera rozwija teoria filtru Kalmana. Filtr Kalmana jest optymalnym obserwatorem stanu układu dlatego dopuszcza na wyznaczenie optymalnego wzmocnienia obserwatora.

Opracowano też inne nieliniowe metody obserwatorów z dużym wzmocnieniem. Dla przykładu sterowanie ślizgowe bywa stosowane do projektowania obserwatorów, które w skończonym czasie doprowadzają błąd estymowanej zmiennej stanu do zera, nawet w obecności błędów pomiarowych; inne zmienne stanu posiadają błąd, który zachowuje się analogicznie do błędu w obserwatorze Luenbergera kiedy ustanie szczytowanie. Obserwatory z przesuwnym trybem posiadają także pożądane własności radzenia sobie z szumem, podobne do tych jakie wykazuje filtr Kalmana.

Obserwator pełnego rzędu a obserwator zredukowany

Obserwator pełnego rzędu to taki obserwator, który odtwarza wszystkie składowe wektora stanu $x\,$ . W przypadku, kiedy cząstka tych składowych jest mierzalna nie ma bez wątpienia potrzeby ich odtwarzania oraz da się się ograniczyć do odtwarzania zaledwie grupy składowych niemierzalnych wektora stanu. Obserwatory tego typu noszą nazwę obserwatorów zredukowanych (lub obserwatorów zredukowanego rzędu). Ich konstruowanie ma za podstawę na metodzie stosowanej dla obserwatorów odtwarzających cały wektor stanu (takie obserwatory nazywa się czasami obserwatorami rzędu $n\,$ gdzie $n\,$ jest wymiarem wektora stanu obiektu).