当前位置: 华文问答 > 科学

非线性观测器有几种?哪些用的比较多?分别有什么优缺点?

2015-02-25科学

非线性系统状态观测器,按照镇定机理划分,以热门程度为序:

  • 高增益观测器(High-gain observer)
  • 1992年起出现在非线性系统状态估计中(在线性系统中可以追溯到七十年代),是目前研究最为广泛的一类非线性观测器,一般用于能观标准型与下三角结构的两类系统中(非下三角结构的系统近五年亦有研究)。比较常见的应用场景是「dirty derivative」的估计,如速度、加速度等。

    镇定机理:high-gain injection 或 domination

    优点:结构简单,设计方便,鲁棒性强,只要系统可以变换成标准型,便可套用。

    缺点:对测量噪声极为敏感。

  • KKL观测器(Kazantizis-Kravaris-Luenberger observer)
  • 也称非线性Luenberger观测器,两个名称源于学术界对此的争议。核心思想出现在D. Luenberger在六十年代最早提出观测器的论文中的一种特殊坐标变换,后证明该坐标变换对于线性系统取单位变换即可,该思想被学术界逐渐淡忘,线性系统教材中一般亦不提及。在1998年Kazantizis和Kravaris的论文中,这个思想在非线性系统领域被」重新发现「。之后的20年里,持续被关注,但设计难度较高,相关文献较高增益观测器少很多。

    镇定机理:坐标变换得线性误差动力学

    优点:对测量噪声不敏感,构造的dynamic extension为线性,可以从频率角度有效抑制特定频段噪声;对于能观自治非线性系统,很弱的假设即可保证存在性,其PDE总存在解析解;理论比较优美,且可以得到系统化的数值算法。

    缺点:非自治系统,KKL存在性目前仍悬而未决。

  • I&I观测器(Immersion and Invariance observer)
  • 出现于2008年,在机械系统和机电系统中比较流行,针对一般非线性系统研究相对较少,它是KKL的推广结果。印象中,关于非完整约束机械系统全局渐近收敛观测器问题,是首次由该方法解决。

    镇定机理:设计吸引的不变流形

    优点:框架比较大,」理论上「应用范围广,对噪声一般不敏感

    缺点:PDE求解难度高,需要对物理系统有一定的洞察能力。

  • 滚动时域观测器(Moving horizon observer)
  • MPC的对偶问题,不多说。貌似研究的人挺多的,和做MPC的学者高度重合。

    镇定机理:在线优化

    优点:数值化算法,对理论要求不高?

    缺点:可解释性不强,计算量大

  • 基于参数估计观测器(Parameter Estimation-Based Observer, PEBO)
  • 提出于2015年,属于从应用到理论的代表,发轫于电机状态估计,后来形成的一套系统化的状态估计方法。核心思想是把时变的状态估计问题,转化为在线的常数辨识,通常配合着DREM参数估计一起使用。

    镇定机理:在线参数辨识

    优点:参数辨识比状态估计要容易很多,灵活性强,在机电、电力系统中,对应的PDE很容易求解。

    缺点:参数估计中一般需要类似于PE条件,纯积分环节会积累测量噪声(但测量噪声问题不会像高增益和滑模观测器那样强烈)

  • 滑模观测器(Sliding mode observer)
  • SMC的对偶问题,适用对象和高增益观测器基本一致。貌似研究的人挺多的,比较容易上手。

    镇定机理:high-gain injection/ domination

    优点:结构简单、鲁棒性强。

    缺点:基本和高增益观测器一致,对测量噪声极为敏感。

  • 无源观测器(Passivity based observer)
  • 出现在十几年前,属于PBC的对偶问题,目的是重新定义的输入(一般是测量噪声通道)对于设计的不变流形无源。关注比较少,十几年里只有零星的几篇文献。

    镇定机理:无源化

    优点:对测量噪声非常鲁棒,该鲁棒性也易于整定。

    缺点:设计难度高,其中的PDE比I&I方法的PDE更难处理。

  • 单调性观测器(Montonicity-based observer)
  • 这个是一个不清晰的概念,没有文献系统定义和分析,在应用类的文献中经常可以看到,利用动力学中的非线性映射的一些单调性特点,从而避免使用高增益。

  • 通过输出映射来线性化的观测器(Linearization by output injection)
  • 没有想出来什么好的翻译,该方法由Krener和Isidori在1983年提出,方法非常复杂,需要求解的PDE对于绝大多数的物理系统都是无法满足的。但是这确是非线性系统观测器问题的鼻祖,三十多年里的研究或多或少都受到它的影响。

    总的来说,在做实际物理系统状态估计时,总是觉得相应的理论比较匮乏。