一、为什么需要用到观测器

控制原理中的系统框图，往往都是假设反馈状态为理想值。但在工程实践中，这个是做不到的。

一般我们采用传感器测量控制的反馈状态，而传感器的测量值，存在几个问题：

为了让反馈的状态尽可能接近理想值，引入观测器技术。

二、观测器的优缺点

观测器可以解决哪些问题：

提高传感器的数据精度，减小相位滞后，从而提升控制系统性能；
可观测出扰动信号（常见的如ADRC中的扩张状态观测器）；
能够间接测量信号，如利用位置传感器数据，观测出加速度数据，不需要安装一个加速度传感器；
减小采样延迟，如电机控制中，一般速度环的采样率低于电流环，在速度控制中引入了相位滞后到速度反馈中，如果采用观测器，让速度环以电流环更新率运行，则可以消除部分滞后；

观测器的缺点：

三、如何得到观测器

为了得到理想的反馈状态，即控制系统中的。

直觉上有两种方法：

方法一，在传感器模型后面加个传感器模型的逆函数，一般传感器可以认为是一个低通模型，

逆函数就是：

实际是不可行的，其逆函数是一个微分项，会放大噪声的影响；

方法二，采用一个完美模型，控制输入输入给完美的模型，得到理想的反馈。实际也不可行，因为一般模型中至少包含了一个积分项，这样模型有一点点误差就会使反馈产生漂移。

仔细分析两种方法，第一种方法，低频特性好，其高频特性差，第二种方法恰恰相反，其低频性能差，高频特性好，所以我们可以进行互补。

本质上来说，从滤波器的角度去理解，观测器就是一个低通滤波乘以传感器输出，加上模型输出乘以一个高通滤波。不过常用的还是回路结构设计。

主要包括以下几个部分：

结构如下：

五、仿真实验

验证观测器是否能减小相位滞后的影响，提升系统性能。

以多旋翼的高度方向的速度模型为例，输入为油门PWM值，输出为垂直方向的速度。

理想状态下：

在上面的仿真中，我们用系统的实际状态作为反馈变量，实际并不可能做到。所以接下来，我们将反馈变量加入一个单极点的低通滤波器，截止频率为3Hz。

图中可以看出，超调变大了，约1.7，系统输出有超调和一点振铃，说明系统处于临界稳定，同样的增益，对于回路的相位滞后来说，太大了。而这个相位滞后，是由于测量带来的。

以上，说明如果传感器测量得到的反馈数据有大的相位滞后，就会使得系统性能降低，这个时候只能靠减小PID的增益来保持系统稳定，被迫接受低水平的性能。

观测器可以有效解决该问题。

可以看出，此时系统的响应曲线与理想反馈的响应曲线基本一致。能够有效解决传感器相位滞后问题。

以后再讲讲有关观测器的干扰估计和间接测量功能。

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