[发明专利]一种时变增益滑模观测器设计方法

说明书

本发明公开了一种时变增益滑模观测器设计方法，属于滑模控制技术领域。该方法包括以下步骤：首先，根据可观的线性或非线性三阶耦合系统的状态空间模型构建用于估计系统状态变量的时变增益滑模观测器；其次，根据三阶耦合系统输入和可测量得到的状态变量，同时结合所设计的时变增益，并通过系统各阶函数的估计误差实时调节增益函数，实现对不可测量状态变量的估计。本发明方法在估计耦合的线性系统和非线性系统时不仅具有良好的估计效果，而且在保证时变增益滑模观测器的鲁棒性的同时，能够大大降低时变增益滑模观测器的观测误差，从而进一步提高不可测量状态变量的估计精度。

技术领域

本发明涉及滑模控制技术领域，具体涉及一种时变增益滑模观测器设计方法。

背景技术

滑模观测器作为一种软测量方法，因其结构简单、鲁棒性强，被广泛研究并应用于系统状态和参数估计、无传感器控制、故障检测等领域。

滑模观测器是根据系统的输入和输出实测值得出状态变量估计值的一种闭环状态观测器，其带高增益的非线性反馈迫使各个状态变量的估计值在有限时间收敛到各状态变量的实际值。在设计传统的滑模观测器时，其观测器增益通常被设计为正常数。当系统存在参数摄动和非线性特性时，相较于常增益滑模观测器，自适应滑模观测器具有更强的鲁棒性和更高的估计精度。然而，由于切换函数会引起抖振现象，在实际应用的过程中，自适应滑模观测器不可避免的存在观测误差。因此，在保证自适应滑模观测器具有足够的鲁棒性的同时，如何降低抖振现象引起的观测误差，是本领域技术人员需要解决的问题之一。

目前，现有自适应滑模观测器的自适应增益设计方法主要是基于自适应控制算法或使用参数估计算法；现有的用于削弱自适应滑模观测器抖振的方法主要是函数代替法，即用sigmoid函数、tanh双曲正切函数等代替滑模观测器中的sgn符号函数。

中国发明专利(CN 106330038 B)于2017年1月11日公开的《一种基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法》，它设计了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法，该发明所提出的自适应增益滑模观测器的增益采用先进的自适应算法实现，可根据实际系统的情况实时改变开关增益，并使用sigmoid函数代替滑模观测器中的sgn开关函数以减小观测误差的抖振幅值。

中国发明专利(CN 108964546 A)于2018年12月7日公开的《基于自适应滑模观测器检测电机转子位置及转速的方法》，该发明提供了一种基于自适应滑模观测器检测电机转子位置及转速的方法，通过改进的粒子群优化算法辨识更新滑模观测器中的定子电阻和定子电感参数，并引入修正因子调节切换增益，同时使用tanh双曲正切函数代替滑模观测器中的sgn开关函数以削弱观测误差的抖振幅值。

上述方法存在的不足为：均引入了新的自适应算法和参数辨识算法，要求使用者具有较高的理论水平，且推导过程复杂，不利于在实际中推广和使用；均使用函数代替法来削弱观测误差的抖振，但是这种方式会产生稳态估计误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种时变增益滑模观测器设计方法。该方法不仅能够根据系统的输入和输出的实测值，结合所设计的时变增益，并通过系统各阶函数的估计误差实时调节增益函数，迫使各个状态变量的估计值在有限时间收敛到各状态变量的实际值，实现对不可测量的系统状态变量的估计，而且该方法在保证时变增益滑模观测器的鲁棒性的同时，能够大大降低时变增益滑模观测器的观测误差，从而进一步提高不可测量状态变量的估计精度。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种时变增益滑模观测器设计方法，包括以下步骤：

步骤1，给出可观的三阶耦合系统的状态空间模型

可观的三阶耦合系统的状态空间模型的表达式如下：

其中，

y为三阶耦合系统的输出，u为三阶耦合系统的输入；