基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计

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1、2015年1月北京航空航天大学学报January2015第41卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No-1http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0041基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计朱芳来+，张永军(同济大学电子与信息工程学院，上海200092)摘要：针对具有未知输入和测量噪声的

2、一类Lipschitz非线性系统，研究了状态估计、噪声估计及未知输入重构问题．通过将输出噪声看作扩展状态，把原系统转化为描述系统．针对描述系统，首先基于Riccati方程的解，提出了一种高增益观测器设计方法，实现对系统状态的估计和测量噪声的重构；之后，设计二阶高增益滑模观测器精确估计输出的微分，并利用状态和输出微分的估计，提出了一种未知输入的重构方法．在一Riccati方程有解的前提下，所提出的未知输入和测量噪声的重构，均适用于强时变信号．最后，对一个实际模型仿真，验证所提出方法的有效性．关键词

3、：未知输入观测器；测量噪声估计；Riccati方程；未知输入重构；高增益中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)01-0008-06从20世纪70年代开始，未知输入观测器设计一直是现代控制研究领域所关注的热点之一．未知输入观测器(UIO)不仅被广泛地应用到控制系统中，同时在故障诊断和基于混沌同步的保密通讯⋯等领域也有着重要的应用．发展至今，未知输入观测器设计无论是针对线性系统还是非线性系统，都已经有众多的研究成果呈现¨。31．早期，未知输入观测器设计着重于如何

4、绕开未知输入的影响而达到状态估计的目的H1，之后未知输入与状态一并估计的方法¨1得到了重视．未知输人和测量噪声并存，在实际的控制系统中普遍存在．因而，对同时具有测量噪声和未知输入的系统进行所谓的未知输入观测器设计，更具有挑战性，成为近期学者们所关注的研究热点之一怕。．例如，文献[7]采用了降维观测器设计方法，通过选取恰当的降维观测器增益，有效处理了一类具有未知输入和测量噪声的线性系统的状态和噪声估计及未知输入重构问题．Bejarano等处理了具有相同未知输入和测量噪声的一类强可检测的奇异线性系统

5、的观测器设计、未知输入重构及噪声估计，并讨论系统强可观和检测的充要条件¨1．描述系统，也称之为奇异系统，经常被用来描述工程系统、社会系统和经济系统等实际系统¨。⋯．由于描述系统在处理具有输出测量噪声的系统时，可以方便地把输出噪声当作描述系统的扩展状态，因而该方法在观测器设计中被广泛使用⋯。1“．例如，文献[8]针对具有相同未知输入和测量噪声的非线性系统结合描述系统方法提出了全维观测器设计方法．文献[14]结合描述系统、滑模理论和自适应控制的方法，针对一类非线性系统提出了一种系统状态和噪声同时估计

6、的自适应鲁棒观测器，该方法同样实现了对未知输入的重构．文献[15]提出了一种鲁棒H。滑模描述观测器，对具有未知输入或者输出干扰的不确定收稿日期：2014-01-23；录用日期：2014-04-22；网络出版时间：2014-05-2709：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001-5965．2014．0041．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(61074009)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110072110015

7、)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目(PFll0289)；上海重点学科项目(B004)+通讯作者：朱芳来(1965一)，男，广西兴安人，教授，zhufanglai@tongdi．edu．cn，主要研究方向为非线性系统鲁棒控制，基于模型的故障检测与故障重构等．；f用格式：朱芳来，张永军．基于Rieeati方程解的高增益未知输入观测器设计fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41fJ)：8-13．ZhuFL，ZhangyJ．Designofhigh·gainunknowninputobse

8、rverbasedOnRiccatiequationⅣJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(J)：8-13(inChinese)．第1期朱芳来，等：基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计9系统提出了状态估计及未知输入重构方法．引理1存在矩阵G和F满足：从上面对具有输出测量噪声和未知输入观测器的研究动态分析可以看出，把输出测量噪声看作描述系统的扩展状态已经成为十分有效的方法．在描述系统的基础上如