[发明专利]数字式双频扩张状态观测器及扰动观测方法

说明书

本发明公开了数字式双频扩张状态观测器及扰动观测方法，涉及自动控制领域。其存储结构用于根据当前时刻的状态估计值和状态量测值计算得到当前时刻的估计误差，并计算估计误差的方向信号；带宽切换结构用于根据估计误差方向信号判断预设的高低带宽切换因子的系数；差分方程迭代累加器用于将高低带宽切换因子乘以系数对实际带宽进行更新，并输出当前时刻的状态估计值和扰动估计值。本发明适用于系统的自动控制，缓解了普通扩张状态观测器瞬态性能和稳态噪声抑制能力之间的矛盾，易于工程实现和参数调整，计算量和所需要的先验知识与常规扩张状态观测器完全一致，且没有人为引入延迟，占用计算资源少，对硬件的要求较低。

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种数字式双频扩张状态观测器及扰动观测方法。

背景技术

在自动控制系统中，被控设备或对象的不确定性以及所受到的外部扰动直接影响自动控制系统的控制精度，采用观测器或估计器对扰动进行实时估计可以有效提升控制系统的性能。

现有扩张状态观测器主要面临的问题是：在有量测噪声情况下，其观测性能会收到很大影响。目前常用的扩张状态观测器大部分是基于带宽法设计的线性扩张状态观测器，由于估计瞬态和稳态性能和带宽成正比，所以其实际实现一般是一个高增益环节。但是带观测系统输出一般被噪声所污染，高增益环节会大幅放大量测信号中的噪声污染，单纯地增大观测器的带宽无法在瞬态快速性和稳态噪声抑制能力之间达成很好的折中。

然而，现有应对量测噪声的扩张观测器设计方法主要是基于先验知识对带宽进行调整，然而对于复杂公开或未知快变系统，难以获取先验知识，如无法解决这一问题，扩张观测器的性能会受到较大的影响，特别是利用估计信号设计控制律控制快时变系统时，观测误差会严重影响闭环系统的控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种数字式双频扩张状态观测器及扰动观测方法，主要面向自动控制，尤其是高精度数字式控制领域，如运动体控制、温度控制、高精度位置、轨迹控制等，用于解决带量测噪声动态控制系统的快/慢变复合扰动的在线估计，其具有离散型结构，可通过控制芯片或计算机实现。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种数字式双频扩张状态观测器，包括：存储结构、带宽切换结构和差分方程迭代累加器，所述存储结构预先存储有第t-1时刻的状态量测值S_m(t-1)和所述差分方程迭代累加器输入的第t-1时刻的状态估计值S_e(t-1)，其中：

所述存储结构用于根据所述状态量测值S_m(t-1)和所述状态估计值S_e(t-1)计算得到第t-1时刻的估计误差E(t-1)，并接收外部设备输入的第t时刻的状态量测值S_m(t)；

所述差分方程迭代累加器用于接收外部设备输入的第t时刻的状态量测值S_m(t)，并根据所述状态量测值S_m(t)和实际带宽计算第t时刻的状态估计值S_e(t)，并发送给所述存储结构；

所述存储结构还用于根据所述状态估计值S_e(t)和所述状态量测值S_m(t)计算得到第t时刻的估计误差E(t)，并根据所述估计误差E(t)和所述估计误差E(t-1)得到估计误差的方向信号，并发送给所述带宽切换结构；

所述带宽切换结构用于根据所述方向信号判断预设的高低带宽切换因子的系数；

所述差分方程迭代累加器还用于将所述高低带宽切换因子乘以所述系数对所述实际带宽进行更新，并输出所述状态估计值S_e(t)和扰动估计值d_e(t)；