非线性扰动观测器（NDO）解决了高精度压力设备和实验平台固有的关键不稳定性问题，这种不稳定性是由不可预测的力引起的。它主要通过实时识别和中和外部扰动以及内部模型不准确性来解决跟踪误差问题，确保系统即使在突然的负载变化下也能精确运行。
高精度液压伺服系统在动态环境中，由于外部负载的突然变化和模型失配，常常难以保持精度。NDO通过生成这些变化的实时估计值并应用前馈补偿来稳定控制器，从而解决了这个问题。
解决的核心问题
消除跟踪误差
在高精度应用中，成功的首要衡量标准是设备跟随特定指令或路径的紧密程度。
标准控制器通常对快速变化反应迟缓，导致显著的跟踪误差。NDO弥合了这一差距，确保系统输出与期望轨迹匹配，不受外部干扰的影响。
抵消突然的负载变化
压力设备和实验平台经常会经历力的或负载的突然变化。
如果没有观测器，这些突然的变化会使控制回路不稳定。NDO专门针对这些“动态工作环境”场景，在冲击负载降低性能之前对其进行中和。
纠正模型误差
没有一个物理系统的数学模型是完美的。
理论模型与机器的物理现实之间总存在差异。NDO会实时识别这些模型误差，并将它们视为需要纠正的扰动，而不是让它们累积成定位误差。
NDO如何解决这些问题
实时估计
NDO使用辅助变量持续监控系统性能。
它不依赖于静态假设。相反，它逐个计算外部扰动的值。这使得系统能够在机械部件显著偏离路径之前，在数学上“看到”扰动。
前馈补偿
仅仅识别是不够的；系统必须根据数据采取行动。
NDO向主控制器提供前馈补偿。这意味着控制器是基于估计的扰动主动调整的，而不是在错误已经发生后才被动反应。
理解权衡
增加系统复杂性
虽然NDO解决了精度问题，但它也引入了架构上的复杂性。
实现辅助变量和实时估计逻辑为控制设计增加了层次。与简单的反馈回路相比，这需要更复杂的处理能力和对系统动力学的更深入理解。
依赖于估计器的准确性
解决方案的好坏取决于观测器正确估计的能力。
如果辅助变量没有正确调整，前馈补偿理论上可能会引入噪声或不稳定。这种“解决方案”的精度与NDO设计的质量密切相关。
为您的目标做出正确选择
为了确定集成NDO是否是您的高精度平台的正确选择，请评估您的具体操作需求：
- 如果您的主要关注点是处理动态负载：实施NDO以利用前馈补偿，它比单独的反馈更有效地中和突然的力变化。
- 如果您的主要关注点是极高的跟踪精度：使用NDO来滤除标准控制器无法检测或纠正的模型误差。
最终，对于动态环境中的液压伺服系统而言，NDO不仅仅是一个升级；它是保证控制精度的必要组成部分。
总结表：
| 已识别的问题 | NDO解决方案 | 对性能的影响 |
|---|---|---|
| 跟踪误差 | 实时轨迹校正 | 更高精度地跟随指令 |
| 突然的负载变化 | 前馈补偿 | 在突然的力变化下保持稳定 |
| 模型不准确性 | 辅助变量监控 | 弥合理论与现实之间的差距 |
| 系统不稳定性 | 主动扰动抑制 | 在动态环境中保持一致的性能 |
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参考文献
- Xiaoyu Su, Xinyu Zheng. Sliding mode control of electro-hydraulic servo system based on double observers. DOI: 10.5194/ms-15-77-2024
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
