对化工过程进行实时监控与故障诊断,确保生产过程的稳定性与安全性,是现代化工生产中一个热点研究问题。由于许多化工系统都具有多模态的性质,例如液位控制系统、连续搅拌反应器系统、聚合反应过程系统等,因而实际的化工系统均可建模为具有多模态性质的切换系统模型。本文首先给出了液位控制系统建模为切换系统的过程,然后基于未知输入观测器(Unknown Input Observer,UIO)的方法研究了液位控制系统故障诊断和调节问题。其主要内容如下:首先,针对离散的切换系统模型,研究了基于未知输入滤波器的有限频域内故障检测问题。假定故障频率和未知扰动输入是有限的,分别在低、中、高频三个区间内,基于切换Lyapunov函数和广义KYP引理,得到了保证有限频率故障检测滤波器存在的充分条件,使误差系统具有稳定的鲁棒抗干扰性和故障敏感性。其次,针对连续时间切换系统,研究了基于UIO方法的全频域故障检测问题。基于切换Lyapunov函数和平均驻留时间(ADT)技术,提出了H_-/H_?设计方案保证误差系统的故障敏感性和鲁棒抗干扰性。此外,还利用了该故障检测滤波器存在的充分条件,以保证在H_-/H_?性能指标和ADT条件下的误差系统是渐近稳定的。最后,将线性系统推广至非线性系统情况,研究了基于UIO方法的非线性切换系统故障估计和调节问题,通过构造由状态向量和故障向量组成的增广状态向量来得到增广切换系统,设计未知输入观测器实现故障的估计及其调节问题,并且进一步研究了传感器扰动的故障估计问题。基于在线估计信息,设计了一种动态输出反馈控制器,以保证闭环系统的渐近稳定性。