1、第第10章章 計算機控制系統的可靠性保證計算機控制系統的可靠性保證10.1 10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念10.2 10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施10.3 10.3 提高軟件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施10.5 10.5 控制系統的故障診斷控制系統的故障診斷10.4 10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除第第10章章 計算機控制系統的可靠性保證計算機控制系統的可靠性保證 本章主要討論微型計算機控制系統的可靠性問題，介紹有關可靠性的一些基本概念，重點介紹提高系統硬件、軟件可靠性和抗干擾的常用措施。10.1 控制系統可靠性的基本概念控

2、制系統可靠性的基本概念 計算機控制系統的可靠性是評價其質量好壞的主要技術指標之一。 計算機控制系統的可靠性可定義為可靠性可定義為：在規定的工作條件下和規定的時間內，該系統正確完成規定功能的能力。10.1.1 可靠性的基本概念1固有可靠性 計算機控制系統在制造過程中需要進行材料和元器件的選擇、設計、制造、組裝，環境試驗等。由這一過程所決定的可靠性是系統的內在可靠性，稱為系統的固有可靠性。（決定于生產廠家）2工作可靠性 這是指系統在實際運行和執行任務時的可靠性。通常所指的系統可靠性即為工作可靠性。它受工作環境、技術條件、維修方式等條件的影響。10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概

3、念3可靠度 控制系統可靠度定義為系統在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的概率。它是對控制系統可靠程度的定量評價。4失效率 失效率是系統運行到t時刻時，單位時間內發生故障的系統數與時刻t時完好的系統數之比。 dttdRtRttRttRtRtRNtttRtRNtt100失效率00NtNtNtNtNtRtRtNtNNsfsssf未發生故障系數未發生故障系統數發生故障的系統數，系統數，10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念5平均壽命 按照可靠度的定義，如果一種產品在時刻t內正常工作的概率為R(t)，則按統計學原理，該產品壽命的數學期望值亦即平均壽命m可表示為 電子元器件的失效

4、率以1000小時內100萬個元器件的故障產品數來表示，用著名的浴盆曲線表征。 t 1 2 3 “1”為早期失效期，引起產品失效的主要原因是生產過程中的缺陷，隨著時間的增加迅速減小?！?”偶然失效期，失效率很低，幾乎與時間沒有關系，持續時間很長?！?”耗損失效期，產品到達壽命，失效率迅速升高。 如果產品出現故障后無法修復，則其壽命m又可稱為平均無故障時間，也稱為故障前平均時間（Mean Time To Failure），簡稱MTTF。如果產品故障是可以修復的，則其壽命m代表的是平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure），簡稱MTBF。10.1 控制系統可靠性的基本概念

5、控制系統可靠性的基本概念6平均修復時間和利用率 平均修復時間(Mean Time To Repair)，簡稱為MTTR也是一個統計值,可用下式表示:利用率是可修復產品的另一項可靠性指標，由下式定義:10.2 10.2 系統可靠性分析系統可靠性分析1系統可靠性的邏輯框圖基本的可靠性邏輯框圖有串聯系統和并聯系統兩種形式。式中,N為維修次數， 為第i次維修所用的時間。10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念串聯系統其邏輯框圖如圖所示。并聯系統其邏輯框圖如圖所示10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念2串聯系統的可靠性分析 在控制系統的每塊模板上，不論元件的物理連接

6、如何，通常仟何一個元件失效都可能會導致整個模板失效，因此，從可靠性的角度看，一塊模板是由板上所有器件和安裝點組成的串聯系統。3并聯系統的可靠性分析 對于可靠性并聯系統，只有當所有并聯的單元都失效時，系統才失效，于是系統的不可靠度為其中 為第i個單元的失效概率(不可靠度)。從而系統可靠度10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念 下面先考慮兩個單元并聯的情況，設其 分別為 和 ,則并聯系統的可靠度為系統的MTBF為若 則上式簡化為同樣可以得出3個單元并聯時的MTBF為當 時有10.1 控制系統可靠性的基本概念控制系統可靠性的基本概念10.1.3 10.1.3 系統故障的來源系統故

7、障的來源1內部因素 產生故障的原因來自計算機控制系統本身。2環境因素另外，運行操作人員的誤操作，也可能造成系統故障。系統的工作環境,10.1.4 10.1.4 提高系統可靠性的途徑提高系統可靠性的途徑提高計算機控制系統的可靠性，主要有以下幾條途徑：1改進元、部件的可靠性2降低使用應力水準3簡化系統結構4采用冗余設計5提高維護技術 提高系統的可靠性主要從以下三個方面入手：第一，提高元器件的可靠性，這是根本措施；第二，進行系統的高可靠性設計，這是提高系統可靠性的有效途徑；第三，采用完善的維護措施，這是延長使用壽命的最后辦法。10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施10.2.1 10.2.

8、1 正確選用元器件正確選用元器件4元件的降級使用10.2.2 10.2.2 冗余設計冗余設計1元件的老化應注意以下問題：2元件的選用3元件的電氣性能(1)電阻(2)電容器(3)集成電路 構成計算機控制系統的硬件包括各種部件，從計算機主機到各種外圍設備、接口電路、各種執行機構，除了集成電路外，還包括各種接插件，印刷線路板、導線、焊點等。因此，提高硬件的可靠性要從多方面入手。 冗余設計是提高系統可靠性的一種有效措施。硬件冗余分為：元器件級、部件級、分系統級、系統級等。 在系統中各個備份的元器件或分系統的故障若相互影響，則稱為相依故障；若各個備份的元器件或分系統故障彼此獨立，互不影響則稱為獨立故障。

9、針對獨立故障和相依故障，冗余設計可分別采用熱備份和冷備份二種形式。10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施(一)熱備份熱備份系統又有如下一些形式：1并聯備份系統若每個備份的可靠度為，則整個并聯備份系統的可靠度為10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施2并串聯備份系統系統的可靠度10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施3串一并聯備份系統系統的可靠度為若可靠度為指數規律，則上式變為10.2 提高硬件可靠性的措施提高硬件可靠性的措施(二)冷備份冷備份系統的工作特點是在所有備份的元部件或分系統中，只有一個在工作，其余均處于待命的狀態。冷備份系統的主要優點是隔離了各個分系統

10、之間相依故障的相互影響，這等效于把每個分系統中的相依故障轉換為獨立故障，從而有效地提高了相依故障備份冗余系統的可靠性。另外，由于每個備用的分系統都處于待命狀態，所以能夠降低設備的耗損，進一步提高系統的可靠性。10.3 提高軟件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施10.3.1 10.3.1 軟件故障的特點軟件故障的特點 由于軟件在運行時不存在老化問題，所以其失效率曲線不像浴盆曲線那樣有耗損失效期。因此，要保證軟件具有高可靠性，主要是設法保證軟件在投入現場使用前，已進入成熟階段。10.3.2 10.3.2 軟件可靠性模型軟件可靠性模型 一種常用的模型是基于故障率的軟件可靠性模型，稱為穆莎(MUSA)模

11、型。這種模型的簡化形式為t為程序執行時間, 為開始測試程序時固有的錯誤數； 為開始測試時的平均無故障時間；c為比例因子（工作時間與測試時間之比）；n為錯誤數。0N0T10.3 提高軟件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施常用的規則(一)分析掌握軟件設計要求。(二)選擇合適的程序設計語言及其開發軟件。(三)采用正確的編程方法。正確的編程方法可概括成如下幾點： 1)控制系統軟件應嚴格采用模塊化結構，模塊間接口定義要清晰明確，模塊劃分簡潔合理。2)程序設計人員應具有細致、嚴謹的工作作風，細心地編寫程序。 任何一種軟件產品的開發設計都需使用各種工具軟件，在選用時應慎重，盡量使用經過多次運用，證明效果良好的

12、工具軟件。10.3.3 提高軟件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施10.3 提高軟件可靠性的措施提高軟件可靠性的措施3)程序應有詳盡的注釋，以保證良好的可讀性，易于分析和修改。4)對程序的調試情況應有完整的記錄，以便從中發現潛在的問題。 5)程序應具有良好的抗干擾能力，保證外界侵入的非法信息不會干撫系統的正常運行。(四)仔細檢查，測試，試運行(五)正確選用軟件的存儲介質程序編好后，要對所編程序進行查錯，測試和校驗檢查。 在工業現場，環境惡劣，干擾嚴重，為防止干擾破壞控制系統的軟件，應將程序代碼固化在只讀存儲器(ROM)之中，重要數據放在非易失性RAM之中。10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的

13、屏蔽與濾除10.4.1 10.4.1 干擾源及其和電路間的耦合干擾源及其和電路間的耦合常見的一些干擾源：1)工業電器設備產生的電火花。2)各種半導體變流電路。3)大功率電力負荷在電流發生變化時，引起的周圍磁場的變化。 除了上述這些來自系統外界的干擾源外，在系統內部還會出現其他一些干擾，常見的有： 1)電源自身產生的干擾。 2)電路之間通過分布電容的耦合產生的干擾。 3)設備的機械振動產生的干擾。10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除4)不同金屬接觸或聯結，因熱電效應產生的電壓干擾。5)接頭間接觸不良，由于電解作用產生的化學性質電壓干擾。6)電阻器的熱噪聲。下面是常見的幾種耦合形式：

14、(1)阻容耦合(2)磁耦合 （3）靜電耦合10.4.2 10.4.2 系統抗電磁干擾的措施系統抗電磁干擾的措施(一)電源電路的抗干擾措施在計算機控制系統中通常采用的供電電路如圖10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除1)采用交流穩壓器；2)采用電源濾波器；3)電源變壓器一次側、二次側間應采用靜電屏蔽措施；4)采用高性能的穩壓電源。10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除 5)在計算機控制系統中，向繼電器、信號指示燈等執行元件供電的變壓器應與向計算機等供電的變壓器分開。6)供電系統的配線應采取如下一些防干擾措施：電源部分應盡可能安放在距電源引進口很近的地方。 從電源引進口，經

15、過開關器件和低通濾波器，直到電源的配線盡量選用粗導線。 電源后面的一段布線，均應采用扭絞線，扭絞的螺距要小，如果導線較粗，無法扭絞時，應把布線距離縮到最短程度。 交流線(指低通濾波器到穩壓電源裝置的連線)、直流穩壓電源線、邏輯信號線和模擬信號線、繼電器等感性負載的驅動線、非穩壓的直流線均應分開布線。10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除(二)良好的接地措施1放大器與信號源的接地2電路及電路板的接地3系統的接地(三)信號線的屏蔽其作用原理為：1對靜態耦合的屏蔽 外部干擾通過靜電或電容耦合的情況。如圖10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除2對磁耦合的屏蔽磁耦合是一種電磁特性，這種耦合在兩根或多根導線中存在。如圖10.4 電磁干擾的屏蔽與濾除電磁干擾的屏蔽與濾除(四)印刷電路板的抗干擾措施有四種不同的屏蔽方法，可供選用：(1)有屏蔽層的導線(2)金屬導線管(3)設備屏蔽(4)部件屏蔽下面是幾個需注意的問題：1引線阻抗2地線設計3濾波4抑制引線間的相互干擾10.5 控制系統的故障診斷控制系統的故障診斷(1)故障建模(2)故障檢測(3)故障分離(4)故障評定(5)故障補償10.5.1 10.5.1 故障診斷方法簡介故障診斷方法簡介故障診斷研究的內容包括如下五個方面目前主要的方法有如下幾種。1冗余方法2參數估計方法3狀態估計方法4基于專家系