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)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，因此至今仍然在液位過程控制中占據(jù)主要地位，但是其缺點也不容忽視，主要確定是抗故障的容錯能力低下。有時在故障發(fā)生時，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，因此需要引入容錯控制系統(tǒng)盡量保證也誒控制系統(tǒng)在發(fā)生故障時仍可以穩(wěn)定運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量液位。壓力傳感器由相應(yīng)的測量電路組成，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，通過測量電路的輸入-輸出表達式確定聯(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)觀測器估計系統(tǒng)該狀態(tài)并實現(xiàn)控制的容錯控制方法。
1.液位控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的建立
對于雙榮液位控制系統(tǒng)，通過閥門1將儲水器的水運送到水箱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)計反饋控制系統(tǒng)整定PID參數(shù)后能實現(xiàn)水箱1液位的恒定和水箱2液位對水箱1的跟隨。假定2個水昂的橫截面積、閥門橫截面積都相同。
對于可用狀態(tài)空間表達式描述的線性系統(tǒng)，可采用狀態(tài)反饋配置極點使系統(tǒng)具有抗干擾性、魯棒性。有時系統(tǒng)某些狀態(tài)不能直接物理測量（如液位傳感器出線故障，無法實時的值液位），這時采用狀態(tài)觀測器基于輸出和控制變量估計狀態(tài)。在容錯控制中，使用狀態(tài)觀測器估計出實時故障狀態(tài)，原控制器根據(jù)估計狀態(tài)進行控制，而不再使用傳感器所測狀態(tài)，即為容錯控制的基本原理。
狀態(tài)觀測器可觀測到系統(tǒng)給所有狀態(tài)變量時稱為全維狀態(tài)觀測器。在只需要觀測不可物理測量的狀態(tài)變量時，只實現(xiàn)觀測部分撞他變量的觀測器稱為降維狀態(tài)觀測器。無論何種觀測器，均必須保證系統(tǒng)具有可觀性。
若矩陣穩(wěn)定（特征值實部都是負數(shù)），對于任意初始誤差向量，誤差向量最終都趨于0。對于系統(tǒng)改的容錯控制，應(yīng)使?fàn)顟B(tài)觀測對故障狀態(tài)產(chǎn)生觀測跟蹤，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，使得故障值被抵消，這便是容錯控制方法設(shè)計基本思路。
3.基于系統(tǒng)觀測器的液位傳感器容錯控制設(shè)計
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)計線性變參數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器。兩個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)觀測器的具有故障診斷功能和容錯性能的液位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在液位傳感器測量電路出線故障導(dǎo)致測得液位與實際液位不符時，一方面采用故障診斷方法實現(xiàn)故障定位和故障定值；另一方面，線性變參數(shù)觀測器對狀態(tài)向量進行觀測跟蹤，得出其估測值，此時標(biāo)稱PID控制器采用狀態(tài)估測值進行控制，使液位控制系統(tǒng)跟正常運行。
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)液位傳感器測量電路的電橋輸出、運放輸出信號實現(xiàn)元件故障定位和元件故障定值的功能，也包含根據(jù)殘差信號平方是否大于閾值信號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，系統(tǒng)告知需要標(biāo)稱控制器就能正常運行；檔期檢測到液位傳感器故障存在時，控制標(biāo)稱控制開關(guān)1，是的線性變參數(shù)觀測器根據(jù)系統(tǒng)輸出信號所得估測傳感器顧長志、估計狀態(tài)通過開關(guān)，并將估計狀態(tài)作為標(biāo)稱控制器的實時狀態(tài)，故障決策單元同時關(guān)閉控制開關(guān)2，是的傳感器信號不能反饋回控制器，此時液位傳感器的故障效應(yīng)被抵消。
4.仿真驗證
基于線性變參數(shù)觀測器的液位傳感器容錯控制系統(tǒng)個，代入實際的參數(shù)值進行計算并仿真。雙容液位控制系統(tǒng)，兩個水箱均由液位傳感器測量液位，且兩個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)觀測器對系統(tǒng)狀態(tài)、傳感器故障值進行估計，是的此時液位上升時間增加，仍以被控水箱2液位達到穩(wěn)定值為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)故障發(fā)生時，水箱2液位恰好處于穩(wěn)態(tài)，線性變參數(shù)觀測器只用了約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)參考信號由18cm上升至27cm時，滯后時間有10.3s，當(dāng)參考信號由27cm下降至22cm時，之后時間7.8s。在傳感器故障下，當(dāng)參考信號變化時，水箱液位相對于參考信號的之后速率低于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)多項式形式；接下來引入線性變參數(shù)觀測器實現(xiàn)容錯控制，最后代入實際液位控制系統(tǒng)具體采納數(shù)，得到線性變參數(shù)觀測器的具體表達式。以二維狀態(tài)、二維輸出信號彈傳感器故障維數(shù)一維的雙容液位系統(tǒng)故障為例，此阿勇MATLAB進行仿真，驗證了觀測器對傳感器故障值估測的經(jīng)確性和系統(tǒng)歸隊傳感器故障的容錯性。
