傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)多采用PDI（比例-積分-微分）控制法。這種傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此至今仍然在液位過(guò)程控制中占據(jù)主要地位，但是其缺點(diǎn)也不容忽視，主要確定是抗故障的容錯(cuò)能力低下。有時(shí)在故障發(fā)生時(shí)，即使能迅速判斷故障的存在、故障的位置甚至定量分析故障，但系統(tǒng)故障產(chǎn)生的損失也已不可避免，因此需要引入容錯(cuò)控制系統(tǒng)盡量保證也誒控制系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍可以穩(wěn)定運(yùn)行并具有可以接受的性能指標(biāo)。液位控制系統(tǒng)傳感器最易發(fā)生故障，系統(tǒng)多采用壓力傳感器測(cè)量液位。壓力傳感器由相應(yīng)的測(cè)量電路組成，側(cè)臉該電路的某些電子元件的故障是傳感器產(chǎn)生故障的源頭。本文基于磁致伸縮液位傳感器，通過(guò)測(cè)量電路的輸入-輸出表達(dá)式確定聯(lián)立方程組求解的故障診斷方法，在此基礎(chǔ)上提出了基于線性變參數(shù)觀測(cè)器估計(jì)系統(tǒng)該狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)控制的容錯(cuò)控制方法。
1.液位控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的建立
對(duì)于雙榮液位控制系統(tǒng)，通過(guò)閥門1將儲(chǔ)水器的水運(yùn)送到水箱1中，加在入流控制泵上的電壓作為狀態(tài)輸入量。水箱1的出水閥門即水箱2的如水閥門，水箱1能起到控制水箱2液位的作用，在設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)整定PID參數(shù)后能實(shí)現(xiàn)水箱1液位的恒定和水箱2液位對(duì)水箱1的跟隨。假定2個(gè)水昂的橫截面積、閥門橫截面積都相同。
對(duì)于可用狀態(tài)空間表達(dá)式描述的線性系統(tǒng)，可采用狀態(tài)反饋配置極點(diǎn)使系統(tǒng)具有抗干擾性、魯棒性。有時(shí)系統(tǒng)某些狀態(tài)不能直接物理測(cè)量（如液位傳感器出線故障，無(wú)法實(shí)時(shí)的值液位），這時(shí)采用狀態(tài)觀測(cè)器基于輸出和控制變量估計(jì)狀態(tài)。在容錯(cuò)控制中，使用狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出實(shí)時(shí)故障狀態(tài)，原控制器根據(jù)估計(jì)狀態(tài)進(jìn)行控制，而不再使用傳感器所測(cè)狀態(tài)，即為容錯(cuò)控制的基本原理。
狀態(tài)觀測(cè)器可觀測(cè)到系統(tǒng)給所有狀態(tài)變量時(shí)稱為全維狀態(tài)觀測(cè)器。在只需要觀測(cè)不可物理測(cè)量的狀態(tài)變量時(shí)，只實(shí)現(xiàn)觀測(cè)部分撞他變量的觀測(cè)器稱為降維狀態(tài)觀測(cè)器。無(wú)論何種觀測(cè)器，均必須保證系統(tǒng)具有可觀性。
若矩陣穩(wěn)定（特征值實(shí)部都是負(fù)數(shù)），對(duì)于任意初始誤差向量，誤差向量最終都趨于0。對(duì)于系統(tǒng)改的容錯(cuò)控制，應(yīng)使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)對(duì)故障狀態(tài)產(chǎn)生觀測(cè)跟蹤，將故障狀態(tài)作用于原控制器并使原控制器棄置已經(jīng)存在故障的傳感器信號(hào)，使得故障值被抵消，這便是容錯(cuò)控制方法設(shè)計(jì)基本思路。
3.基于系統(tǒng)觀測(cè)器的液位傳感器容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)
上一節(jié)中，液位控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間已經(jīng)建立，為線性變參數(shù)系統(tǒng)。因此需要設(shè)計(jì)線性變參數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器。兩個(gè)水箱的液位都作為輸出量，因此系統(tǒng)為雙輸出。
根據(jù)上述推導(dǎo)，得到了基于線性變參數(shù)觀測(cè)器的具有故障診斷功能和容錯(cuò)性能的液位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在液位傳感器測(cè)量電路出線故障導(dǎo)致測(cè)得液位與實(shí)際液位不符時(shí)，一方面采用故障診斷方法實(shí)現(xiàn)故障定位和故障定值；另一方面，線性變參數(shù)觀測(cè)器對(duì)狀態(tài)向量進(jìn)行觀測(cè)跟蹤，得出其估測(cè)值，此時(shí)標(biāo)稱PID控制器采用狀態(tài)估測(cè)值進(jìn)行控制，使液位控制系統(tǒng)跟正常運(yùn)行。
故障決策單元具有判斷傳感器是否存在故障的功能，既包含故障診斷功能，即根據(jù)液位傳感器測(cè)量電路的電橋輸出、運(yùn)放輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)元件故障定位和元件故障定值的功能，也包含根據(jù)殘差信號(hào)平方是否大于閾值信號(hào)提高故障存在性判斷精度的功能。當(dāng)故障決策單元潘丹液位傳感器故障不存在時(shí)，系統(tǒng)告知需要標(biāo)稱控制器就能正常運(yùn)行；檔期檢測(cè)到液位傳感器故障存在時(shí)，控制標(biāo)稱控制開關(guān)1，是的線性變參數(shù)觀測(cè)器根據(jù)系統(tǒng)輸出信號(hào)所得估測(cè)傳感器顧長(zhǎng)志、估計(jì)狀態(tài)通過(guò)開關(guān)，并將估計(jì)狀態(tài)作為標(biāo)稱控制器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，故障決策單元同時(shí)關(guān)閉控制開關(guān)2，是的傳感器信號(hào)不能反饋回控制器，此時(shí)液位傳感器的故障效應(yīng)被抵消。
4.仿真驗(yàn)證
基于線性變參數(shù)觀測(cè)器的液位傳感器容錯(cuò)控制系統(tǒng)個(gè)，代入實(shí)際的參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算并仿真。雙容液位控制系統(tǒng)，兩個(gè)水箱均由液位傳感器測(cè)量液位，且兩個(gè)液位傳感器都可能故障但假定水箱2的傳感器有替代品，因此系統(tǒng)該狀態(tài)維數(shù)、輸出維數(shù)均為2，而傳感器故障維數(shù)為1.
線性變參數(shù)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)、傳感器故障值進(jìn)行估計(jì)，是的此時(shí)液位上升時(shí)間增加，仍以被控水箱2液位達(dá)到穩(wěn)定值為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，水箱2液位恰好處于穩(wěn)態(tài)，線性變參數(shù)觀測(cè)器只用了約0.6s就能使被控標(biāo)稱控制器將液位恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，當(dāng)參考信號(hào)由18cm上升至27cm時(shí)，滯后時(shí)間有10.3s，當(dāng)參考信號(hào)由27cm下降至22cm時(shí)，之后時(shí)間7.8s。在傳感器故障下，當(dāng)參考信號(hào)變化時(shí)，水箱液位相對(duì)于參考信號(hào)的之后速率低于1.5s/cm。
5.總結(jié)
本章研究了雙榮液位控制系統(tǒng)傳感器故障的容錯(cuò)控制方法。受限根據(jù)液位控制的基本原理得到系統(tǒng)該狀態(tài)空間表達(dá)式，其中采用了非線性參數(shù)擬合是的狀態(tài)系數(shù)鞠振偉關(guān)于狀態(tài)的參數(shù)多項(xiàng)式形式；接下來(lái)引入線性變參數(shù)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，最后代入實(shí)際液位控制系統(tǒng)具體采納數(shù)，得到線性變參數(shù)觀測(cè)器的具體表達(dá)式。以二維狀態(tài)、二維輸出信號(hào)彈傳感器故障維數(shù)一維的雙容液位系統(tǒng)故障為例，此阿勇MATLAB進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了觀測(cè)器對(duì)傳感器故障值估測(cè)的經(jīng)確性和系統(tǒng)歸隊(duì)傳感器故障的容錯(cuò)性。
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