如何在10.1系统中使用观测器

在伺服控制系统中，观测器原理是通过综合测得的反馈信号和控制系统对象的知识，使得其能更准确地认知被控对象的特征。如图10-1所示。观测器增扩了传感器的输出，并给控制律提供了反馈信号。

图10-1 观测器在控制系统中的作用

由图10-1能够看出，观测器代替了传统系统中的测量反馈。观测器依靠被控对象和传感器知识建立自己的模型，因而测量反馈和相关被控对象/传感器状态量是其输入，由观测器观测得到观测信号，观测信号中相关信息可作为反馈信号与系统连接。在极端情况下，观测器可以完全撤除传感器，只由被控对象的状态提供输入。

观测器内部形式有多种，Luenberger观测器是观测器最为实用的形式之一。如图10-2所示，它由以下5个单元组成：传感器输出Y（s）；功率变流器输出Pc（s）；估计被控对象模型；估计传感器模型；PI或者PID结构的观测补偿器。

图10-2 Luenberger观测器一般形式(www.xing528.com)

Luenberger观测器形式中，观测模型及其参数都称为估计，估计用于描述系统模型中的部件，它与实际系统状态是不同的，为了表示区别，在符号头顶用^做标记。例如被控对象的传递函数为G_p（s），转动惯量J是其中一个参数；估计被控对象的传递函数为。转动惯量是其中一个估计参数。观测用于由观测器导出的信号，因此状态、误差和传感器输出是观测的。观测信号或都可以作为反馈信号与系统连接。

由图10-2可以看出，Luenberger观测器内部形式是较为复杂的，能够采用它带来系统性能的提升或许需要一些因素的存在。当系统存在以下因素时，能从Luenberger观测器中获益，这些因素存在得越多，观测器对系统性能的改善就越显著。

第一个因素是有高性能的要求。系统要求对指令信号的改变能做出快速响应，以及具有抗扰动响应能力。两者受益于观测器；对于响应能力不存在问题的系统，则没有理由采用观测器。

第二个因素是计算资源的可利用性。观测器几乎都依赖于数字控制器。如果控制系统是在高速处理器（如DSP）上执行的，其计算资源足以实现观测器，则认为具有可利用的资源；添加一个观测器，不会明显增加费用负担。但是，若系统采用的是简单的模拟控制器，那么设计支持观测器的硬件结构将需要付出更大的努力。

第三个因素是有采用高分辨率位置反馈信号的可能。当采用高分辨率位置传感器时，观测器才会最有效。位置传感器分辨率噪声通常是伺服控制系统中的一个问题，很难处理，观测器的加入往往加剧了这个问题的不良影响。

另外一个因素是反馈信号中存在相位滞后。旋转变压器信号通常用跟踪回路来处理，在位置信号中产生相当大的相位滞后，它的存在使观测器更可能改善系统的性能。再有，在由位置获得速度的情况下，回路中会产生相位滞后，这种滞后是与反馈传感器无关的。但是，众所周知，这种滞后是由位置通过简单差分获得的，该相位滞后也为观测器改善系统性能提供了机会。