非線性系統狀態觀測器,按照鎮定機理劃分,以熱門程度為序:
1992年起出現在非線性系統狀態估計中(線上性系統中可以追溯到七十年代),是目前研究最為廣泛的一類非線性觀測器,一般用於能觀標準型與下三角結構的兩類系統中(非下三角結構的系統近五年亦有研究)。比較常見的套用場景是「dirty derivative」的估計,如速度、加速度等。
鎮定機理:high-gain injection 或 domination
優點:結構簡單,設計方便,魯棒性強,只要系統可以變換成標準型,便可套用。
缺點:對測量雜訊極為敏感。
也稱非線性Luenberger觀測器,兩個名稱源於學術界對此的爭議。核心思想出現在D. Luenberger在六十年代最早提出觀測器的論文中的一種特殊座標變換,後證明該座標變換對於線性系統取單位變換即可,該思想被學術界逐漸淡忘,線性系統教材中一般亦不提及。在1998年Kazantizis和Kravaris的論文中,這個思想在非線性系統領域被」重新發現「。之後的20年裏,持續被關註,但設計難度較高,相關文獻較高增益觀測器少很多。
鎮定機理:座標變換得線性誤差動力學
優點:對測量雜訊不敏感,構造的dynamic extension為線性,可以從頻率角度有效抑制特定頻段雜訊;對於能觀自治非線性系統,很弱的假設即可保證存在性,其PDE總存在解析解;理論比較優美,且可以得到系統化的數值演算法。
缺點:非自治系統,KKL存在性目前仍懸而未決。
出現於2008年,在機械系統和機電系統中比較流行,針對一般非線性系統研究相對較少,它是KKL的推廣結果。印象中,關於非完整約束機械系統全域漸近收斂觀測器問題,是首次由該方法解決。
鎮定機理:設計吸引的不變流形
優點:框架比較大,」理論上「套用範圍廣,對雜訊一般不敏感
缺點:PDE求解難度高,需要對物理系統有一定的洞察能力。
MPC的對偶問題,不多說。貌似研究的人挺多的,和做MPC的學者高度重合。
鎮定機理:線上最佳化
優點:數值化演算法,對理論要求不高?
缺點:可解釋性不強,計算量大
提出於2015年,屬於從套用到理論的代表,發軔於電機狀態估計,後來形成的一套系統化的狀態估計方法。核心思想是把時變的狀態估計問題,轉化為線上的常數辨識,通常配合著DREM參數估計一起使用。
鎮定機理:線上參數辨識
優點:參數辨識比狀態估計要容易很多,靈活性強,在機電、電力系統中,對應的PDE很容易求解。
缺點:參數估計中一般需要類似於PE條件,純積分環節會積累測量雜訊(但測量雜訊問題不會像高增益和滑模觀測器那樣強烈)
SMC的對偶問題,適用物件和高增益觀測器基本一致。貌似研究的人挺多的,比較容易上手。
鎮定機理:high-gain injection/ domination
優點:結構簡單、魯棒性強。
缺點:基本和高增益觀測器一致,對測量雜訊極為敏感。
出現在十幾年前,屬於PBC的對偶問題,目的是重新定義的輸入(一般是測量雜訊通道)對於設計的不變流形無源。關註比較少,十幾年裏只有零星的幾篇文獻。
鎮定機理:無源化
優點:對測量雜訊非常魯棒,該魯棒性也易於整定。
缺點:設計難度高,其中的PDE比I&I方法的PDE更難處理。
這個是一個不清晰的概念,沒有文獻系統定義和分析,在套用類的文獻中經常可以看到,利用動力學中的非線性對映的一些單調性特點,從而避免使用高增益。
沒有想出來什麽好的轉譯,該方法由Krener和Isidori在1983年提出,方法非常復雜,需要求解的PDE對於絕大多數的物理系統都是無法滿足的。但是這確是非線性系統觀測器問題的鼻祖,三十多年裏的研究或多或少都受到它的影響。
總的來說,在做實際物理系統狀態估計時,總是覺得相應的理論比較匱乏。