CN101283316A - 通过观测器确定物理***的状态 - Google Patents
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Abstract
通过使用观测器(4)来确定物理***(2)的状态的估计，所述观测器包括该物理***的数学模型。向该观测器(4)提供该物理***的至少一个实体(Y1、Y2、Y3、……)的值以及也提供给该***的输入实体的值(IN)，以便给出所述模型的实体的估计值(Y1b、Y2b、Y3b、……)。将至少一个估计值(Y1b)与有关的给定参考值(Y1ref)进行比较以便提供误差值(e1)。将该给定参考值(Y1ref)与有关的被监视实体(Y1)进行比较，并且当变得相等时(ttrig)，将该误差值(e1)用于这些估计值(Y1b、Y2b、Y3b、……)的校正。
Description
技术领域
本发明涉及一种依照权利要求1前序部分的用于通过利用观测器(observer)来确定物理***的估计状态(estimated states)的方法，并且涉及一种依照权利要求3前序部分的观测器。
背景技术
George Ellis和Jens Krah博士的文章“Observer-based ResolverConversion in Industrial Servo Systems(工业伺服***中基于观测器的旋转变压器变换)”，(PCIM 2001Conference，2001年6月21日，德国纽伦堡)(http://www.motionvillage.com/welcome_center/articles/pcim2001rd_observer.pdf)公开了一种上述类型的方法。
观测器(observer)一般用来根据其他状态的测量结果确定***的内部状态。观测器通常应用在因为安装传感器要么不切实际要么过于昂贵所以不能测量被观察的状态的场合中。观测器也可以用来只是提高测得信号的质量。例如，分解器(resolver)测量马达的位置，但是在这样做的过程中，它加入了可观的相位滞后(phase lag)。观测器(observer)则去除这种相位滞后。通过向观测器提供与提供给物理***相同的输入数据，观测器就确定出***的特定实体(entity)或状态的估计值，这些估计值可以用来通过把估计值中的至少一个与参考值对比来控制所述***。
所述现有技术方法要求使用模数转换器(ADC)来提供***的实体的值，以便与模型化***的对应实体的估计值进行比较。ADC与观测器一起使用的缺点在于，它们引入了时延，它们允许有限的转换速度和有限的分辨率，并且它们从总体上增加了***的复杂性和成本。
发明目的
本发明的一个目的是解决现有技术的上述缺陷。
发明概要
本发明的上述目的是通过提供如权利要求1所述的方法来实现的。
因此，不需要ADC，从而消除了与使用ADC关联的所有缺点。
本发明的上述目的还通过提供如权利要求3所述的观测器来实现。
附图说明
根据下述结合附图的示范性描述，本发明将逐渐变得更加清楚明了。在附图中：
图1示出了由现有技术观测器观察到的一种物理***的布置的示意图；
图2示出了由依照本发明的观测器观察到的、图1的物理***的布置的示意图；以及
图3示出了所述物理***的实体以及图2的观测器的模型化***对应实体的时间图。
具体实施方式
图1中示出的现有技术布置的示意图主要显示了物理***2和观测器4。观测器4包括物理***2的数学模型6、时钟8、减法部件10、矢量乘法器12、定时器14和模数转换器(ADC)16。
时钟8向数学模型或模型化***(modeled system)6提供时钟脉冲clk。利用每个时钟脉冲，对模型6进行估算，即它根据最近的输入值和先前的估计值来确定模型6的实体(entity)的值。设计模型6使得所述模型6的实体中的特定实体Y1b、Y2b、Y3b、……对应于物理***2的实体Y1、Y2、Y3、……。向模型6提供(这些)输入IN，所述输入IN也提供给物理***2。因此，对于适当设计的模型6，利用模型6的每个估算结果，模型6的所述特定实体Y1b、Y2b、Y3b、……的值与物理***2的对应实体Y1、Y2、Y3、……的值相同。因此，所述模型的所述特定实体Y1b、Y2b、Y3b、……的值也称为估计值，并且为了简单起见，在这里也称为Y1b、Y2b、Y3b、……。
估计值Y 1b、Y2b、Y3b、……能用于进行进一步的处理，例如用于控制目的，而不使用物理***的实体Y1、Y2、Y3、……的值，在所述后一种情况下，需要测量物理***的实体Y1、Y2、Y3、……。这样一来，可以使得所述布置整体上物理地相对简单，并且安装和维护的成本降低。
然而，模型6可能并不完美，即其操作不与物理***2完全一致。因此，已知要对实际值和相关的估计值之间的差异进行补偿，如下面所解释的。
监视物理***2的至少一个实体(entity)，例如Y1。实际上，测量被监视的实体Y1，并且通过ADC 16将其测得值转换成数字值Y1d。将模型6设计成提供模型6的实体的估计值(Y1b)，其与所述被监视的实体Y1对应。
通过减法部件10从数字值Y1d中减去估计值Y1b，以便给出估计差值或者差值e1。
乘法器12用矢量k乘以e1。矢量k的元素k1、k2、k3、……分别与所述模型的不同实体Y1b、Y2b、Y3b、……关联。结果，乘法器12提供矢量c，其由矢量k的每个元素ki(i＝1，2，3，…)与差值e1之积构成。向模型6提供该矢量c。用每个事件Trig1，存储并且刷新该矢量c，所述事件Trig1由定时器14以固定间隔产生。只是在触发事件Trig1期间才有必要操作ADC 16、减法部件10以及乘法器12。
矢量c的元素c1、c2、c3、……用来分别补偿模型6的实体Y1b、Y2b、Y3b、……，特别是通过相加它们来分别获得Y1b+c1、Y2b+c2、Y3b+c3、……，并且从而减小了差值e1。
图1中示出的ADC与现有技术观测器4一起使用，具有若干缺陷。它引入了时延，它允许有限的转换速度和有限的分辨率，并且它增加了复杂性。
图2中示出的布置包括依照本发明的观测器18，其有别于现有技术观测器4，以便缓解现有技术观测器4的缺陷。
图2中示出的观测器18与图1中示出的观测器4的不同之处在于，省略了观测器4的定时器14和ADC 16并且加入了比较器20。此外，向减法部件10提供与被监视实体Y1关联的给定参考值Y1ref，而不是所述物理***的所述被监视实体Y1的实时值。比较器20比较物理***2的模拟类型实体Y1和它的关联参考值Y1ref，以提供二进制输出，该二进制输出的逻辑级(logical level)在被比较值Y1和Y1ref变得相等时发生改变。如参照图1所描述的，这种级改变的发生用来触发模型6来执行对估计值的补偿。
如果被比较值Y1和Y1ref变得相等，那么提供给减法部件10的值与Y1b和Y1相同。因此，此时观测器18对于相同、相等值Y1和Y1ref以与图1的观测器4相同的方式进行操作。然而，两种观测器之间主要并且有利的差异在于，图2的观测器18弃用了昂贵的、速度受限的、复杂性增加的模数转换器。
对于现有技术观测器4而言，由Trig1代表的触发事件以规则的、固定的间隔发生。对于依照本发明的观测器18而言，由Trig2代表的触发事件发生的时间事先是未知的，并且一般会是不规则的。
必须预想到的是，在特定观察间隔内足够频繁地发生Trig2的变化。因此，必须在物理***2的关联实体Y1的值范围内适当地选择参考值Y1ref。这是设计和所述布置的要求规范的问题，并且其本身不是本发明的一部分。
图3示出了物理***2的所述一个实体Y1以及与所述一个实体Y1对应的模型6的实体Y1b的时间图。
如图3所示，在时间ttrig，比较器20遇到其输入之间相等或差值的符号变化，其结果是计算补偿矢量c并且通过向估计实体Y1b、Y2b、Y3b、……的值添加补偿矢量c的合适元素c1、c2、c3、……来对所述估计实体的值进行补偿。
为了能够对估计值Y1b、Y2b、Y3b、……进行补偿，物理***2的被监视实体Y1的值应当变成和/或通过(穿过)参考值Y1ref至少一次。
如上所述的依照本发明的方法和观测器可以由本领域技术人员在权利要求所述的本发明范围内进行修改。
例如，上述方法和观测器可以分别应用于任意数量的被监视实体Y1、Y2、Y3……，给定参考值Y1ref、Y2ref、Y3ref……，估计实体Y1b、Y2b、Y3b……，以及差值e1、e2、e3……。于是，所述触发事件(Trig2)可以由任何被监视实体Y1、Y2、Y3……变得分别与其关联的参考值Y1ref、Y2ref、Y3ref……相等的发生事件来定义。
Claims (4)
1.一种方法，用于通过使用观测器(4、18)来确定物理***(2)的估计状态，其中向该观测器提供待监视的实体(Y1)，所述观测器包括该物理***的数学模型(6)，该数学模型被提供也提供给所述物理***的输入实体的值(IN)，以便在发生(ttrig)触发事件(Trig2)时提供该数学模型的并且由该数学模型作出的实体估计值(Y1b、Y2b、Y3b、……)，将与被监视实体(Y1)有关的值(Y1d、Y1ref)与该被监视实体(Y1)的有关估计值(Y1b)进行比较以便提供误差值(e1)，并且该误差值用于校正所述估计值，其特征在于，所述与被监视实体(Y1)有关的值是给定参考值(Y1ref)，该被监视实体(Y1)与该参考值(Y1ref)进行比较，并且所述触发事件(Trig2)是发生(ttrig)该被监视实体(Y1)变得与所述参考值(Y1ref)相等。
2.依照权利要求1的方法，其特征在于，对所述物理***(2)的两个或多个实体(Y1、Y2、Y3、……)进行监视，将这些被监视实体(Y1、Y2、Y3、……)分别和与这些被监视实体有关的给定参考值(Y1ref、……)进行比较，并且所述触发事件(ttrig)是发生(Trig2)任何被监视实体(Y1、Y2、Y3、……)变得与它的有关参考值相等。
3.一种用于确定物理***(2)的估计状态的观测器(4、18)，其中该观测器被提供待监视的所述***的实体(Y1)，所述观测器包括：该物理***的数学模型(6)，向该数学模型提供也提供给所述物理***的输入实体的值(IN)，以便在发生(ttrig)触发事件(Trig2)时提供该数学模型的并且由该数学模型作出的实体估计值(Y1b、Y2b、Y3b、……)；减法装置(10)，其从与被监视实体(Y1)有关的值(Y1d、Y1ref)中减去该有关被监视实体(Y1)的所述估计值(Y1b)以便提供误差信号(e1)，并且该误差信号用于校正所述估计值，
其特征在于，提供了比较器装置(20)，其将所述被监视实体(Y1)与给定参考值(Y1ref)进行比较，并且该比较器装置确定触发事件(Trig2)的发生(ttrig)，该事件中被监视实体(Y1)变得与所述参考值(Y1ref)相等。
4.依照权利要求3的观测器，其特征在于，所述数学模型被提供所述物理***(2)的两个或多个实体(Y1、Y2、Y3、……)，所述比较器装置适用于将每个被监视实体和与该被监视实体有关的给定参考值进行比较，并且该比较器装置确定触发事件(Trig2)的发生(ttrig)，在该事件中任何被监视实体变得与它的有关参考值相等。
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