液位传感器容错控制方法研究

液位传感器容错控制方法研究
作者：何宁 那文波 何伟迪  徐川 武雅仙


       传统的液位控制系统多采用PDI（比例-积分-微分）控制法。这种传统的液位控制系统具有结构简单、易于实现等优点，因此至今仍然在液位过程控制中占据主要地位，但是其缺点也不容忽视，主要确定是抗故障的容错能力低下。有时在故障发生时，即使能迅速判断故障的存在、故障的位置甚至定量分析故障，但系统故障产生的损失也已不可避免，因此需要引入容错控制系统尽量保证也诶控制系统在发生故障时仍可以稳定运行并具有可以接受的性能指标。液位控制系统传感器最易发生故障，系统多采用压力传感器测量液位。压力传感器由相应的测量电路组成，侧脸该电路的某些电子元件的故障是传感器产生故障的源头。本文基于磁致伸缩液位传感器，通过测量电路的输入-输出表达式确定联立方程组求解的故障诊断方法，在此基础上提出了基于线性变参数观测器估计系统该状态并实现控制的容错控制方法。

1.液位控制系统状态空间描述的建立

       对于双荣液位控制系统，通过阀门1将储水器的水运送到水箱1中，加在入流控制泵上的电压作为状态输入量。水箱1的出水阀门即水箱2的如水阀门，水箱1能起到控制水箱2液位的作用，在设计反馈控制系统整定PID参数后能实现水箱1液位的恒定和水箱2液位对水箱1的跟随。假定2个水昂的横截面积、阀门横截面积都相同。

       对于可用状态空间表达式描述的线性系统，可采用状态反馈配置极点使系统具有抗干扰性、鲁棒性。有时系统某些状态不能直接物理测量（如液位传感器出线故障，无法实时的值液位），这时采用状态观测器基于输出和控制变量估计状态。在容错控制中，使用状态观测器估计出实时故障状态，原控制器根据估计状态进行控制，而不再使用传感器所测状态，即为容错控制的基本原理。

       状态观测器可观测到系统给所有状态变量时称为全维状态观测器。在只需要观测不可物理测量的状态变量时，只实现观测部分撞他变量的观测器称为降维状态观测器。无论何种观测器，均必须保证系统具有可观性。

       若矩阵稳定（特征值实部都是负数），对于任意初始误差向量，误差向量最终都趋于0。对于系统改的容错控制，应使状态观测对故障状态产生观测跟踪，将故障状态作用于原控制器并使原控制器弃置已经存在故障的传感器信号，使得故障值被抵消，这便是容错控制方法设计基本思路。

3.基于系统观测器的液位传感器容错控制设计

       上一节中，液位控制系统的状态空间已经建立，为线性变参数系统。因此需要设计线性变参数系统的状态观测器。两个水箱的液位都作为输出量，因此系统为双输出。

       根据上述推导，得到了基于线性变参数观测器的具有故障诊断功能和容错性能的液位控制系统，该系统在液位传感器测量电路出线故障导致测得液位与实际液位不符时，一方面采用故障诊断方法实现故障定位和故障定值；另一方面，线性变参数观测器对状态向量进行观测跟踪，得出其估测值，此时标称PID控制器采用状态估测值进行控制，使液位控制系统跟正常运行。

      故障决策单元具有判断传感器是否存在故障的功能，既包含故障诊断功能，即根据液位传感器测量电路的电桥输出、运放输出信号实现元件故障定位和元件故障定值的功能，也包含根据残差信号平方是否大于阈值信号提高故障存在性判断精度的功能。当故障决策单元潘丹液位传感器故障不存在时，系统告知需要标称控制器就能正常运行；档期检测到液位传感器故障存在时，控制标称控制开关1，是的线性变参数观测器根据系统输出信号所得估测传感器顾长志、估计状态通过开关，并将估计状态作为标称控制器的实时状态，故障决策单元同时关闭控制开关2，是的传感器信号不能反馈回控制器，此时液位传感器的故障效应被抵消。

4.仿真验证

       基于线性变参数观测器的液位传感器容错控制系统个，代入实际的参数值进行计算并仿真。双容液位控制系统，两个水箱均由液位传感器测量液位，且两个液位传感器都可能故障但假定水箱2的传感器有替代品，因此系统该状态维数、输出维数均为2，而传感器故障维数为1.

线性变参数观测器对系统状态、传感器故障值进行估计，是的此时液位上升时间增加，仍以被控水箱2液位达到稳定值为标准，当故障发生时，水箱2液位恰好处于稳态，线性变参数观测器只用了约0.6s就能使被控标称控制器将液位恢复至稳态，当参考信号由18cm上升至27cm时，滞后时间有10.3s，当参考信号由27cm下降至22cm时，之后时间7.8s。在传感器故障下，当参考信号变化时，水箱液位相对于参考信号的之后速率低于1.5s/cm。

5.总结

       本章研究了双荣液位控制系统传感器故障的容错控制方法。受限根据液位控制的基本原理得到系统该状态空间表达式，其中采用了非线性参数拟合是的状态系数鞠振伟关于状态的参数多项式形式；接下来引入线性变参数观测器实现容错控制，最后代入实际液位控制系统具体采纳数，得到线性变参数观测器的具体表达式。以二维状态、二维输出信号弹传感器故障维数一维的双容液位系统故障为例，此阿勇MATLAB进行仿真，验证了观测器对传感器故障值估测的经确性和系统归队传感器故障的容错性。 



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