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第八章 计算机控制系统的可靠性,1、可靠性的基本概念2、提高系统硬件可靠性的常用措施3、提高软件可靠性的常用措施4、抗电磁干扰的常用措施5、控制系统的故障诊断,第一节 控制系统可靠性的基本概念,计算机控制系统的可靠性在规定的工作条件下和规定的时间内，该系统正确完成规定功能的能力。在系统执行任务期间，发生局部故障是可以允许的。不管这种故障是否已在执行任务过程中被消除，只要系统能够按预定的计划完成规定的功能，则认为系统也是可靠的。,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,一、可靠性的基本概念1固有可靠性计算机控制系统在制造过程中需要进行材料和元器件的选择、设计、制造、组装，环境试验等。由这一过程所决定的可靠性是系统的内在可靠性，称为系统的固有可靠性。系统的固有可靠性决定于生产厂家。2工作可靠性（通常所谓的控制系统可靠性）系统在实际运行和执行任务时的可靠性。它受工作环境、技术条件、维修方式等条件的影响。,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,3可靠度（R）系统在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的概率，它是对控制系统可靠程度的定量评价。,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,4失效率（）系统运行到t时刻时，单位时间内发生故障的系统数与时刻t时完好的系统数之比,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,常用每1000h内每100万个元件的故障产品数来表示，其基本单位是菲特(fit)随时间的变化曲线如图所示（著名的浴盆曲线）通常研究的可靠性一般是指产品在偶然失效期的可靠性指标。,第1部分为早期失效期，这一时期内引起产品失效的主要原因是生产过程中的缺陷 第2部分为偶然失效期，几乎与时间；无关，寿命期。第3部分为耗损失效期，这一时期内产品已达到其寿命。,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,5平均寿命（m）产品的平均寿命是其失效率的倒数。平均寿命表现形式故障前平均时间(MeanTimeToFailure)MTTF。如果产品出现故障后无法修复，则其寿命m又可称作故障前平均时间MTTF平均无故障时间平均故障间隔时间(MeanTimeBetweenFailure)MTBF如产品故障是可以修复的，则其寿命m是平均无故障时间,第一节 控制系统可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念,6平均修复时间和利用率从另一角度反映了一个可修复系统(或部件或元器件)的可靠性平均修复时间(MeanTimeToRepair)，简称MTTR利用率产品正常工作的时间占总时间的比率,第一节 控制系统可靠性的基本概念二、系统可靠性分析,1、系统可靠性的逻辑框图可靠性逻辑框图的两种基本形式串联系统其中任何一个单元失效都会导致系统故障，亦即只有当系统中所有单元全部正常工作时，系统才正常工作并联系统,每个单元均能完成同一功能，只要其中一个单元还在正常工作，整个系统即可正常工作。,第一节 控制系统可靠性的基本概念二、系统可靠性分析,2串联系统的可靠性分析 在可靠性串联系统中，所有串联的单元都必须可靠地工作，系统才能正常工作。由概率论可知，可靠度是所有串联单元可靠度的乘积。在可靠性串联系统中，元部件的可靠性愈大，数量愈少和工作时间愈短，则系统可靠性愈大。,第一节 控制系统可靠性的基本概念二、系统可靠性分析,3并联系统的可靠性分析系统的不可靠度为系统可靠度,第一节 控制系统可靠性的基本概念二、系统可靠性分析,3并联系统的可靠性分析先考虑两个单元并联的情况，则并联系统的可靠度为,第一节 控制系统可靠性的基本概念三、系统故障的来源,两个方面1内部因素 产生故障的原因来自计算机控制系统本身 例如，线路故障；接插件接触不良，焊接工艺差；元器件性能变坏或失效；软件设计考虑不周全，存在某种缺陷；调试过程中的疏忽大意等等，使研制出的系统造成隐患，在系统运行时暴露出来，产生故障。2环境因素系统的工作环境 如：温度、湿度、振动、粉尘、电网供电质量、电磁干扰等等，恶劣的环境将使系统故障明显增加 运行操作人员的误操作，也可能造成系统故障,第一节 控制系统可靠性的基本概念四、提高系统可靠性的途径,提高系统可靠性可以从三方面入手：第一，提高元、部件的可靠性，这是根本的措施；第二，进行系统的高可靠性设计，这是提高系统可靠性最有效的途径；第三，采用完善的维护措施，这是延长系统使用寿命的最后办法。,第一节 控制系统可靠性的基本概念四、提高系统可靠性的途径,四、提高系统可靠性的途径主要有：改进元、部件的可靠性降低使用应力水准简化系统结构采用冗余设计提高维护技术 提高系统可靠性可以从三方面入手：第一，提高元、部件的可靠性，这是根本的措施；第二，进行系统的高可靠性设计，这是提高系统可靠性最有效的途径；第三，采用完善的维护措施，这是延长系统使用寿命的最后办法。,第二节 提高硬件可靠性的措施,提高硬件的可靠性，要从多方面考虑，涉及到元、器件的选择、参数计算、制造工艺、冗余设计、环境设计、抗电磁干扰措施等。本节主要从以下两个方面讨论提高其硬件可靠性的措施。元器件选取冗余设计,第二节 提高硬件可靠性的措施一、正确选元器件选取,一、正确选元器件选取在选用元件时，从可靠性的角度考虑，应注意以下问题：1元件的老化 在正式使用前进行老化试验，使器件基本上可进入偶然失效期2元件的选用 在系统设计阶段应尽量优先考虑选用低值（失效率）的器件,第二节 提高硬件可靠性的措施一、正确选元器件选取,3元件的电气性能 使用时应考虑元件的电气性能，例如，电阻、电容器、集成电路4元件的降级使用 使元件工作在其额定参数以下，适当地降级使用可以使元件的失效率降低一到两个数量级。,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,二、冗余设计 采用硬件冗余是提高系统可靠性的一种有效办法。硬件冗余可以在元器件级、部件级、分系统级乃至系统级上进行。系统特点：只要有一套元部件或一套分系统不发生故障，系统便可继续工作。系统中各个备份的元部件或分系统故障的影响情况相依故障故障可能相互影响独立故障故障彼此独立,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,针对独立故障和相依故障，冗余设计可分为二种形式热备份 在热备份系统中，每个备份的元部件或分系统与正常工作的元部件或分系统均同时工作。这种系统对于独立故障，只有待所有备份的元部件或分系统都失效时，系统才失效热备份形式：并联备份系统冷备份,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,针对独立故障和相依故障，冗余设计可分为二种形式热备份 在热备份系统中，每个备份的元部件或分系统与正常工作的元部件或分系统均同时工作。这种系统对于独立故障，只有待所有备份的元部件或分系统都失效时，系统才失效。热备份只能用于元部件相依故障概率低于独立故障概率的系统。冷备份 在所有备份的元部件或分系统中，只有一个在工作，其余均处于待命的状态。当工作部份发生故障时，一个备份的部件或分系统才切换进入工作状态，直到最后一个备用部件或分系统发生故障后，系统才出现故障。,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,热备份系统的形式：1、并联备份系统并联备份系统的可靠性逻辑框图整个并联备份系统的可靠度为 为提高信号检测的可靠度，采用3个传感器并联使用。如果每个传感器的可靠度为0.9，采用并联冗余设计之后，则该部件的可靠度就提高到0.999。,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,热备份系统的形式：2、并串联备份系统系统的可靠度为,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,热备份系统的形式：2、并串联备份系统如果各个并联分系统相同系统的可靠度为,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,热备份系统的形式：3、串并联备份系统系统的可靠度为减小串联数或增加并联数均可提高系统可靠性串并联备份系统比并串联备份系统可靠性高,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,热备份系统的形式：4、k/n(G)表决系统 系统由n个元部件组成，当n个元部件中至少有k个元部件正常工作时，系统才正常工作系统的可靠度为,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,冷备份在所有备份的元部件或分系统中，只有一个在工作，其余均处于待命的状态。当工作部份发生故障时，一个备份的部件或分系统才切换进入工作状态，直到最后一个备用部件或分系统发生故障后，系统才出现故障。冷备份系统中元部件或者分系统的切换：人工操作自动切换器自动切换器由监控器和切换开关两部分组成,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,使用公用自动切换器,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,使用专用自动切换器,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,冷备份优点：隔离了各个分系统之间相依故障的相互影响，等效于把每个分系统中的相依故障转换为独立故障。每个备用的分系统都处于待命状态，能够降低设备的耗损，提高了系统的可靠性。,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,应用举例两台计算机双机并联运行,第二节 提高硬件可靠性的措施二、冗余设计,要实现双机热备份工作，除要作好硬件、软件的设计工作外，主要需要解决好如下3个问题：同步问题故障检测无扰动切换,第三节 提高软件可靠性的措施,可利用软件来提高系统的可靠性。例如，增加系统信息管理软件；编制诊断程序，以便及时发现、定位故障。软件自身也存在着可靠性的问题。下面从可靠性的角度介绍设计控制系统软件时应注意的问题,第三节 提高软件可靠性的措施,可利用软件来提高系统的可靠性。例如，增加系统信息管理软件；编制诊断程序，以便及时发现、定位故障。软件自身也存在着可靠性的问题。下面从可靠性的角度介绍设计控制系统软件时应注意的问题。,第三节 提高软件可靠性的措施一、软件故障的特点,一般情况下，软件的失效率曲线如图软件的失效率曲线可分成两个部分：第2部分，此时软件系统的逻辑错误已几乎为零，因此失效率也接近为零设法保证软件在投入现场使用前已进入成熟阶段。提高可靠性,第1部分是类似于浴盆曲线的早期失效期，但持续时间较长，此时故障原因是设计过程中残留的逻辑错误，随着使用时间的增长，这些错误逐渐被发现和改正。,第三节 提高软件可靠性的措施二、软件可靠性模型,二、软件可靠性模型一种常用的模型是基于故障率的软件可靠性模型，称为穆莎(MUSA)模型，简化形式为随着测试时间的增加，不断排除错误，软件的错误会愈来愈少,第三节 提高软件可靠性的措施三、提高软件可靠性的措施,三、提高软件可靠性的措施 目前，从理论上讲还没有最后解决怎样得到一个高可靠性软件的方法问题，而只是利用一些方法、技巧和经验来提高软件的可靠性。几个常用的原则分析掌握软件设计要求选择合适的程序设计语言及其开发软件采用正确的编程方法仔细检查，测试，试运行正确选用软件的存储介质,