[论文解读] State Observers for Sensorless Control of Magnetic Levitation Systems

Alexey Bobtsov, Anton A. Pyrkin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

Magnetic Bearings and Levitation Dynamics参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型无传感器控制策略，用于非线性磁悬浮（MagLev）系统，采用自适应状态观测器仅通过电压和电流测量值估计位置和速度。通过将基于参数估计的观测器与动态回归器扩展和混合（DREM）相结合，该方法重构了磁通量，并实现了全局收敛的状态估计，在1-和2自由度系统中，仿真结果表明其性能可与全状态反馈控制相媲美。

ABSTRACT

In this paper we address the problem of state observation for sensorless control of nonlinear magnetic levitation systems, that is, the regulation of the position of a levitated object measuring only the voltage and current of the electrical supply. Instrumental for the development of the theory is the use of parameter estimation-based observers, which combined with the dynamic regressor extension and mixing parameter estimation technique, allow the reconstruction of the magnetic flux. With the knowledge of the latter it is shown that the mechanical coordinates can be estimated with suitably tailored nonlinear observers. Replacing the observed states, in a certainty equivalent manner, with a full information globally stabilising law completes the sensorless controller design. We consider one and two-degrees-of-freedom systems that, interestingly, demand totally different mathematical approaches for their solutions. Simulation results are used to illustrate the performance of the proposed schemes.

研究动机与目标

• 解决在仅可测量电压和电流的情况下，非线性磁悬浮系统中无传感器控制的挑战。
• 通过消除对直接位置测量的需求，克服MagLev系统中位置传感器带来的高成本和可靠性问题。
• 仅利用电气测量值，设计机械状态（位置、速度）的全局收敛状态观测器。
• 设计一种统一的观测器框架，适用于1-和2自由度MagLev系统，尽管其数学复杂性存在差异。
• 确保所提出的基于观测器的控制器在仿真中实现与全状态反馈控制无差别的性能。

提出的方法

• 结合基于参数估计的观测器（PEBO）与动态回归器扩展和混合（DREM），从电压和电流信号中重构磁通量。
• 利用重构的磁通量，为1-和2自由度MagLev系统中的机械坐标（位置和速度）设计定制化的非线性观测器。
• 通过确定性等价原理，将全状态反馈控制律替换为观测器提供的估计状态。
• 采用IDA-PBC（互联与阻尼分配无源控制）作为全状态稳定控制器，随后将其适配为无传感器运行模式。
• 对扩展回归器信号施加激励条件，以确保参数估计和观测器设计的收敛性。
• 通过在1-和2自由度MagLev系统上的仿真验证设计，将无传感器性能与全状态反馈性能进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用电压和电流测量值，不依赖位置传感器，为MagLev系统设计全局收敛的状态观测器？
• RQ2 在非线性MagLev系统中，如何利用自适应估计技术从电气信号中精确重构磁通量？
• RQ3 尽管遵循相似的物理原理，为何1自由度和2自由度MagLev系统在观测器设计上需要根本不同的数学方法？
• RQ4 所提出的无传感器控制器在瞬态响应和稳定性方面，与全状态反馈控制器相比，性能接近程度如何？
• RQ5 DREM-based参数估计和观测器收敛所需的激励条件是什么？如何在实际中满足这些条件？

主要发现

• 所提出的观测器成功在1-和2自由度MagLev系统中仅通过电压和电流测量值估计了位置和速度，实现了全局收敛。
• 仿真结果表明，无传感器控制器的性能与全状态反馈IDA-PBC几乎无差异，瞬态响应和轨迹跟踪性能相近。
• 2自由度系统相比1自由度系统可实现更简单的观测器设计，后者因结构差异需更复杂的参数估计和滤波。
• 与某些先前方法不同，该方法避免了侵入性的高频信号注入，而是依赖于系统固有动态和基于DREM的激励。
• 观测器的收敛性依赖于扩展回归器信号的激励条件，这些条件在关于系统能量和信号丰富性的合理假设下可被满足。
• 观测器的计算复杂度仍是实时实现的挑战，尤其在1自由度情况下，提示未来工作需考虑控制器近似。