时变扩展状态观测器的设计与分析

本文以“时变扩展状态观测器的设计与分析”为题，主要探讨了时变扩展状态观测器（TESO）的设计原理和性能分析。扩展状态观测器（ESO）作为一种能够同时估计系统状态和所有内外部干扰的工具，在控制系统设计中有着举足轻重的作用。文章首先对ESO进行了介绍，将其分为两大类：非线性ESO（NESO）和线性ESO（LESO）。之后，文章提出了一个新型的时变ESO（TESO），它旨在继承NESO和LESO的优势，同时克服这两者的不足。TESO设计为线性时变（LTV）形式，通过差分代数谱理论（DAST）对时间变化的PD（比例-微分）特征值进行分配，以调整时变观测器增益。文中给出了TESO在存在未知干扰情况下的稳定性以及估计误差界限的定理。通过与LESO和NESO的比较仿真，展示了TESO的有效性。 时变扩展状态观测器(TESO)是控制系统研究中的一个重要概念。控制系统设计中的一个主要问题是处理不确定性和干扰的抑制。传统的控制理论中，如果系统或控制环境不存在不确定性，则反馈控制在很大程度上是不必要的。为了应对这一问题，由韩京清提出的主动干扰抑制控制（ADRC）提供了一个简单而强大的工具，动态估计和补偿系统的各种不确定性与干扰。在ADRC中，扩展状态观测器（ESO）作为核心组成部分，能够将所有的内部和外部干扰归类为一个扩展状态，使得系统状态和扩展状态能够被同时估计。由于其便利性和高效性，ESO在近年来得到了广泛应用。 ESO可以分为两类：非线性扩展状态观测器（NESO）和线性扩展状态观测器（LESO）。NESO在早期的研究中被推荐，它采用非线性结构来提高估计性能。然而，随着研究的深入，LESO因其结构简单、易于实现和稳定性好等优点也得到了广泛的应用。 为了解决NESO和LESO各自的局限性，本文提出了一种新的TESO。TESO的设计采用线性时变（LTV）形式，利用差分代数谱理论（DAST）来分配时间变化的PD特征值。通过将TESO误差动态转化为规范（相变量）形式，进一步对规范系统分配时间变化的PD特征值。文章给出了TESO在存在未知干扰情况下的稳定性定理和估计误差界限定理。 文章通过仿真比较了TESO、LESO和NESO的性能，仿真结果表明，TESO相比其它两种ESO类型更有效。文章的关键字包括：主动干扰抑制控制、扩展状态观测器、稳定性、时变和PD特征值等，这些关键词均是控制理论与实践领域的重要研究主题，它们的结合为控制系统设计提供了新的思路和方法。 本研究论文的发布，对控制理论的研究人员和技术开发人员而言具有重要意义，不仅可以帮助他们理解TESO的设计原理和优势，而且可以引导他们在实际的控制系统中有效地应用TESO，以达到更好地抑制干扰、提升系统性能的目的。