观察者控制改善运动

在运动控制应用中，准确、快速地到达终点往往是必不可少的。传统的控制方法往往是线性的——它们命令组件以给定的速度运行一段时间，然后停止。问题是，诸如粘滞、卷绕等现象是非线性的，经常导致负载超出标记或围绕端点振荡（振铃）。

像电子装配拾取和放置或半导体计量这样的应用不能承受振铃。负载需要尽可能快地到达目标端点，这样才能进行操作并使吞吐量最大化。为了消除振铃和过冲，设计师们正在转向一种称为观测器控制的技术。

观测器控制使用建模来预测运动中的误差，通过编码器的反馈不断更新误差。”这真的是两全其美，”乔治埃利斯说，伺服系统的首席工程师丹纳赫（拉德福德，弗吉尼亚州）和作者的控制系统设计指南，第三版你不完全依赖模型，因为模型总是有缺陷的，你也不完全依赖传感器，因为传感器通常很慢。您可以将模型和传感器结合起来，以获得最佳组合。”

工作原理
观察者控制，正如你可能猜到的，需要一个观察者。状态观测器通常将系统输入/输出与数学模型相结合，以预测该系统的行为。对于运动控制应用，经典的起点是Luenberger观测器。Luenberger观测者的数学模型基于位置的二次导数，它包含一个与预期定位误差成比例的修正项——换句话说，系统将预期位置与实际位置进行比较，并使用这些数据修正未来的操作。实际实施方式因供应商而异。在某些情况下，它是一种算法，在另一些情况下，它采用查找表的形式。

观察者的功能是帮助系统在尽可能短的稳定时间内到达终点。”假设我们在半克加速，假设我们已经知道，在半克时，我们看到50弧度的误差，在1克时，我们看到72弧度的误差，在1.7克时，我们看到103弧度派克汉尼汾（沃兹沃斯，俄亥俄州）[观察者]知道它以半克的速度加速，它知道在指令信号中应该有50弧度的偏移量，所以它把它放在那里。它基本上在错误发生之前抵消了错误。误差是非线性的，但谁在乎呢？以这个速度，这个速度，这个速度，这个速度，所以你真的建立了这些庞大的表，随着时间的推移，它们变得越来越好。”

当然，在初始化阶段，并不是那么简单，因为观测者必须将其预测与实际数字进行比较，并创建数据，以便更准确地模拟运动，并将误差推向零。”它要做的是找出它是否偏离了零点，会有多大的误差？它会尝试几种不同的速度，然后开始填补中间的空白。你可以想象，在你的微积分中，当你开始的时候，你可能会得到3分，然后你会得到10万分。与刚启动时相比，79342位的错误可能更低，而且随着时间的推移，随着循环的进行，你会变得更好。”

“将模型部分的想象为非常响应，但并不是那么准确，传感器非常准确，但不是那种响应，”ellis说。“构建观察者，使高频输出基于模型，低频输出基于传感器。”

观测器控制
从最终用户，OEM或系统集成商的角度来看，观察者控制可以 - 并且应该 - 易于隐形。调试观察者可以在几秒钟内，这取决于设计，因此与供应商讨论细节很重要。

事实上，这种复杂性的幽灵是观察者控制面的市场验收的障碍之一。一目了然，该技术似乎比历史悠久的线性比例积分 - 积分 - 积分衍生物（PID）循环更复杂。因此，观察者控制的概念可以让潜在用户关闭或简单地使它们难以真正地理解价值主张。这是供应商目前正在努力的问题。“我认为市场接受它，它只是一个比我们今天所拥有的更简单的故事，”里斯说。

这个故事的一部分是，尽管这个概念看起来很复杂，但如果执行得当，观察者控制对用户基本上是透明的。”它集成到驱动器中。“你打开它，它是自动的，”里斯说[用户]不需要理解。它是如何工作的？它工作得很好，”他打趣道。当然，也有一些制造商选择这一点作为他们的解决方案——他们只是不谈论观察者控制集成到他们的驱动器中的事实。这种想法认为，机器制造商和最终用户需要精确的运动。他们其实不太关心细节。

当然，除了观察者控制提供的30:1误差改进等细节。”“任何应用程序中，人们必须在5毫秒内解决，他们应该开始思考观察员，”埃利斯说如果没有它，在5毫秒内就很难稳定下来。“你能做到的，”他很快就澄清了你可以用标准的产品，在一毫秒内适应。你只需要利用一切可用的东西来获得这种稳定时间。”

或者你可以买一个驱动器或系统与观察员控制。是的，驱动器需要一个有肌肉的处理器，但与当前控制器的要求相比，观察者控制的计算负担实际上是适度的，埃利斯说当你运行一个电流循环时，你必须以如此高的速率运行，以至于你在观察者身上加的一点点并不多[观察者]在现代伺服系统中通常运行在5到10千赫之间，但电流回路通常运行在16千赫。”

观测器控制的最佳点包括需要快速稳定时间的应用，如半导体计量；需要高吞吐量的，如包装或冲压；或者那些需要稳定速度的，比如研磨。

“（观测器控制）可以做PID回路做不到的事情，特别是处理巨大的惯性失配、动态共振和非线性数学，”里斯指出。线性误差是相对直接的补偿标准PID回路。然而，非线性误差可能是噩梦般的，尤其是当它导致振铃和超调时。

他说：“在80年代，我会在那里和一个RC网络一起，试图找出把陷波滤波器放在哪里。”现在，我不必了[观察者控制]可以做更多的事情。对我这样的人来说，这是一种魔力。”

致谢
谢谢你去丹琼斯，公司总裁Incremotion Associates公司。（千橡胶，加利福尼亚州），有用讨论。