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과학

상태 관측기

상태 관측기과학
영문명
State observer
사용 정보
시스템 모형, 입력, 측정 출력
보정 기준
측정 출력과 예측 출력의 차이
관련 성질
가관측성
상태 관측기는 시스템 모형과 알려진 입력, 측정 출력을 이용해 내부 상태를 추정하는 동적 모형이다. 추정한 출력과 실제 측정값의 차이로 상태 추정치를 보정한다. 상태를 직접 측정하는 센서 그 자체와는 구분한다.

예측에 측정값을 더한다

직접 전달 항이 없는 선형 연속 시간 모형에서는 추정 상태 q를 dq/dt = Aq + Bu + L(y-Cq)로 갱신할 수 있다. Aq+Bu는 모형에 따른 변화이고 y-Cq는 출력 예측의 차이다. L은 그 차이를 상태 보정에 반영하는 이득이다.

한 상태에서 보는 오차

실제 모형이 dx/dt = -x + u, y = x이고 관측기 이득 L을 4로 정하자. 관측기는 dq/dt = -q + u + 4(y-q)가 된다. 모형이 정확하고 잡음이 없다면 e = x-q는 de/dt = -5e를 만족한다.

초기 오차의 감소

앞의 조건에서 초기 오차가 2라면 e(t) = 2exp(-5t)다. 0.2초 뒤에는 약 0.736, 1초 뒤에는 약 0.0135가 남는다. 이는 이상적인 특정 모형의 계산이며 실제 센서 잡음이나 모형 불일치를 포함한 정확도 보증은 아니다.

보정 이득의 선택

측정값의 차이를 크게 반영하면 빠르게 보정할 수 있지만 측정 잡음에도 더 민감해질 수 있다. 모든 상태를 알아낼 수 있는지는 가관측성과 관계된다. 상태 피드백에 추정치를 사용할 때는 제어기와 관측기의 초기 조건, 시간 단위, 입력 신호를 일관되게 맞춘다.

관련 문서

상태 공간 표현 / 가관측성 / 상태 피드백 / 가제어성 / 전달함수 / 시정수 / 계단 응답