计算机控制系统 可靠性设计
计算机控制系统
1. 连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？(1)(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。
(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规(4)(5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进2. 简述计算机控制系统的一般控制过程。
答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。
(2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。
3. 简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。
答：(1)连续信号连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。
(2)模拟信号模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。
模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。
(3) 离散信号离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。
(4) 采样信号采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。
在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。
(5) 数字信号数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。
4. 线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。
除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。
5. 增量型PID控制算式具有哪些优点？答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小。
(2)在i时刻的输出u i，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差e i-1、e i-2和前一次的输出值u i-1，这大大节约了内存和计算时间。
计算机控制系统的可靠性及抗干扰性优化设计
１ ． ２ 系统 可 靠 度 提 升 方 法
系 到 工 程 项 目中 的众 多 仪 表 、 机器能否正常 、 安全 、 稳 定 运 转 。对 于 如 何 才 能 保 证 计 算 机 控 制 系 统 能 够 安 全 稳 定 地 运行的问题 ， 设 计 人 员 们 首 先 考 虑 的是 在 控 制 系 统 中添 加
性主要考 虑计算机抗 干 扰技 术 的实 现 ， 增 强 硬 件 系 统 对 运行环境 的适 应 性 ， 以及 使用 质 量 比较好 的 硬件 材 料 。 软件系统 的可靠性 主要 考 虑软 件 的 自我测试 技 术 、 自我 纠错 、 自我 修 复 等 。
１ ． ２ ． １ 硬 件 系统 的 可 靠 性
来 考 虑 。 由上 述 定 量 化 描 述 计 算 机 系 统 的 可 靠 性 可 知 ， 提高系统 的可靠性需 要 注重 两个 方 面 ， 一 是 在 系 统 正 常
１ 计 算 机 控 制 系 统 的 可 靠 性
１ ． １ 可 靠 性 的 定 量 ห้องสมุดไป่ตู้
工 作 时 间 内 减 少 系统 故 障 发 生 的 次 数 ； 二 是 系 统 发 生 故 障 后 要 能 够 及 时 排 除 故 障 。提 高 计 算 机 硬 件 系 统 的 可 靠
抗干扰设计 ， 计 算 机 系 统 中 的抗 干 扰 设 计 是 事 关 项 目机 器 仪 表 能 否 正 常 运 转 的关 键 部 分 。
成， 因此 ， 提 高 计 算 机 系 统 的 可 靠 性 可 以从 提 高 计 算 机 硬 件 系 统 的 可靠 性 和 提 高 计 算 机 软 件 系 统 的 可靠 性 两 部 分
从 控 制 系统 的软 件 系统 和 硬 件 系 统 两 个 角 度 对提 高 控 制 系统 可 靠 性 的 方 法 进 行 了介 绍 。
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
微型计算机控制系统的设计方法与步骤
否
否
本次越限标志送
5FH
清零 5EH 单元
上限处理
6-6 T0
图 中 断 服 务 程 序 流 程 图
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.. .
键盘与显示
过零信号发生器
MC 14528
LM311
~220V
..
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74LS00TI光 耦L117驱 动 器
加热丝
.
变送器
热电偶
图6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
1. 检测元件及变送器
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应 输出电压为0mV~41.32mV。
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6.3.3 控制系统程序设计
开始
6-5
1.
设定堆栈指针
开始
主
清标志和暂存单元
图
程 序
T 1 中断程序
清显示缓冲区
主 程
清标志D5H
序
T 0 初始化
流
开CPU中断
程
停止输出
图
扫描键盘 返回
温度显示
T 1 中断服务程序
2. T0中断服务程
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用 于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、 越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输 出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程 序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、 数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程 序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断 服务程序流程图如图6-6所示。
第7章计算机控制系统软件设计
第7章计算机控制系统软件设计计算机控制系统软件设计是指根据计算机控制系统的功能需求，使用特定的方法和技术，开发出能够控制硬件设备运行的软件系统。
本章将介绍计算机控制系统软件设计的一般原则和步骤。
首先，计算机控制系统软件设计需要明确系统的功能需求。
这包括对硬件设备的控制要求、系统的输入输出接口要求以及与其他系统的接口要求等。
在明确需求的基础上，可以进行软件设计的下一步。
其次，计算机控制系统软件设计的下一步是对系统进行功能分解和模块化设计。
通过将整个系统分解为多个功能模块，可以更好地理解系统的工作过程，并能够更好地控制各个模块之间的交互。
在进行模块化设计时，需要考虑每个模块的输入和输出，以及与其他模块之间的依赖关系。
在模块化设计完成后，需要进行详细的模块设计。
这包括确定每个模块的功能、算法和数据结构等。
在模块设计时，需要考虑如何实现模块的功能，并确保每个模块的功能可以独立地进行测试和调试。
接下来，需要进行模块之间的接口设计。
模块之间的接口设计主要包括输入和输出数据的定义、数据传输的方式以及错误处理等。
在进行接口设计时，需要确保各个模块之间能够正确地传递数据，并能够处理各种异常情况。
在进行模块设计和接口设计的过程中，需要考虑系统的可靠性和可维护性。
可靠性是指系统能够正确地执行其设计的功能，而可维护性是指系统能够方便地进行修改和维护。
为了提高系统的可靠性和可维护性，需要合理地设计模块和接口，并进行详细的文档记录和代码注释。
最后，进行系统的测试和调试。
在测试和调试过程中，需要对系统的各个模块进行单元测试和集成测试，并确保系统能够正确地执行其设计的功能。
在测试和调试过程中，需要注意对各种异常情况进行测试，并进行相应的错误处理。
综上所述，计算机控制系统软件设计是一个复杂而重要的过程。
它需要明确系统的功能需求，进行功能分解和模块化设计，进行详细的模块设计和接口设计，考虑系统的可靠性和可维护性，并进行系统的测试和调试。
第10章 控制系统的可靠性
图中：t1、t2……tn为系统正常工作时间 Tl、T2……Tk为维护时间
主要衡量指标：
1. 故障率λ（失效率）
失效次数 总工作时间
k
t
i 1
n
i
即单位工作时间内发生故障的次数
2．维护率μ
维护次数 总维护时间
k
T
i 1
k
i
单位维护时间内修复的次数
为周期在0-70℃之间循环工作三到十天进行筛选，
元器件基本上可进入偶然失效期。 （2）留有裕量 电子元器件都有额定工作参数和极限工作参 数，包括电气条件、机械条件、环境条件等，选
用时应在额定值以下留有一定的裕量。
二、冗余技术
常用的冗余系统．按其结构可分为并联系统、
备用系统和表决系统三种。
1．并联系统
试和维护等阶段)采取一系列规范化的方法来减少错 误，提高软件的可维护性。
三、故障自诊断技术
故障自诊断技术是用软件的办法迅速准确确定系 统内部是否发生故障，以及故障发生的部位，指导 运行维护人员及时发现故障、及时维修。 故障诊断的常用方法有（见下页）
1. 检查CPU的运算功能 在特定的存储区储存一组确定的数据，其中一 个数据是其余数据经过作某些运算的结果。在诊断
对于有N个并联装置组成系统来说，只有当N 个装置全部失效时，系统才不能工作。
2．备用系统
S1，S2，…，SN为工作单元 D1，D2……，DN为每个单元上的失效检测器 K为转换器。 在备用系统中，仅有一个单元在工作，其余 各单元处于准备状态。一旦工作单元出现故障，失 效检测器发出信号，通过转换器K投入一个备用单 元，整个系统继续运行。
3．表决系统
S1，S2，…，SN为工作单元 M为表决器
计算机控制系统设计的基本内容
计算机控制系统设计的基本内容
计算机控制系统设计主要包括以下基本内容:
1. 控制理论基础知识：计算机控制系统的设计需要运用控制理论的基础知识，如传递函数、稳定性分析、动态响应分析等。
2. 计算机控制系统的硬件设计：包括控制器、传感器、执行器等硬件设备的设计和选型，需要考虑硬件设备的可靠性、性能、成本和可维护性等因素。
3. 计算机控制系统的软件设计：包括控制系统的算法设计、软件界面设计、数据采集和处理等，需要运用计算机编程语言和软件设计工具进行开发。
4. 计算机控制系统的调试和测试：设计完成后，需要进行系统调试和测试，以确保系统的稳定性、可靠性和性能指标符合要求。
5. 计算机控制系统的应用和优化：在实际应用场景中，需要对计算机控制系统进行优化和调整，以提高控制性能和效率。
以上是计算机控制系统设计的主要基本内容，不同的应用场景和控制需求可能需要针对具体情况进行定制化设计。
简述计算机控制系统的基本要求
简述计算机控制系统的基本要求计算机控制系统是指由计算机控制和管理的一种自动化控制系统，它通过对物理过程的感知和控制，实现工业生产和自动化操作。
在现代工业中，计算机控制系统已经成为了不可或缺的一部分，起到了提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量和可靠性等重要作用。
要使计算机控制系统能够正常运行和满足实际需求，就需要具备一定的基本要求。
接下来将从以下四个方面进行简述。
一、稳定性要求计算机控制系统的稳定性是指系统的输出在输入和各种干扰作用下保持一定的稳定性和可靠性。
稳定性要求可以通过以下几个方面进行保证：1.输入稳定性：输入信号应当稳定且无干扰，以确保计算机系统可以准确捕获和处理输入信号。
2.输出稳定性：控制系统的输出应当具有可靠性和稳定性，以确保系统的控制效果达到预期。
3.系统响应稳定性：系统的响应速度应当稳定，不能出现过度反应或迟滞现象，以确保系统可以快速、准确地进行响应和控制。
4.抗干扰能力：系统应当具备一定的抗干扰能力，可以抵御来自外界的各种干扰信号，并保持系统的稳定性和正常运行。
二、速度要求计算机控制系统的速度要求主要包括实时性和响应速度等方面。
实时性是指系统对输入信号的响应速度应当满足实际应用需求，特别是在需要快速控制和响应的场景下。
计算机控制系统的实时性要求可以通过以下几个方面进行保证：1.硬件性能：计算机系统的硬件配置应当满足实时需求，包括处理器的主频、存储器容量和带宽等。
2.软件算法优化：系统的软件算法应当经过优化，提高系统的运行效率和速度，保证实时性能的达到。
3.通信速度：计算机控制系统中的通信速度也是影响实时性能的一个关键因素，合理选择和配置通信设备可以提高通信速度。
三、可靠性要求计算机控制系统的可靠性是指系统能够稳定、准确地工作，不出现故障和错误。
保证计算机控制系统的可靠性可以从以下几个方面进行考虑：1.硬件可靠性：选用高质量的硬件设备，减少硬件故障的概率，提高系统的可靠性。
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✓ 并联系统 ✓ 表决系统 ✓ 备用系统
13
3. 软件可靠性技术
软件可靠性技术设计，主要有两个方面的内容 ✓ 通过软件提高系统的可靠性 ✓ 提高软件自身的可靠性
7
故障率
对于一个具有N个元件的系统，运行时间t后，有 F(t)个元件失效，其余S(t)个元件正常工作，则定义元 件的故障率为
Z(t) [dF(t)/dt]/S(t)
失效率表示单位时间内元件失效的概率，也可认为是 单位时间内发生故障的平均次数。
图10.11 元件的故障率变化趋势
8
可靠性与不可靠性
10.1 概 述
计算机控制系统在工作过程中，会受到来 自系统内部和外部的各种干扰的影响，在这些 干扰的作用下，系统会产生异常状态，即发生 错误或故障。
系统发生的瞬时性的、不经维修也能恢复正 常的异常状态，称为错误。
系统发生的固定性的、只有通过修理才能恢 复正常的异常状态，称为故障。
提高计算机控制系统可靠性的措施
✓ 硬件余度法 ✓ 基于解析模型的故障诊断的方法
• 状态估计方法 • 参数估计方法 ✓ 解析余度和混合余度的方法 • 分级分散式滤波方法 • 利用不同传感器的同类测量之间的解析关系 • 双硬件余度加双观测器方案 • 双硬件余度加双卡尔曼滤波器方案 • 一组传感器加卡尔曼滤波器(或观测器)的方案 20
1
提高计算机控制系统 可靠性的措施
✓ 提高元器件和设备的可靠性 ✓ 采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应 能力 ✓ 采用可靠性设计技术 ✓ 采用故障诊断技术
2
10.2 干扰的来源
✓ 从系统电源和电源引线（包括地线）侵入的干扰 ✓ 从系统的信号输入/输出传输通道引入的干扰 ✓ 空间电磁干扰 ✓ 静电噪声 ✓ 其它环境因素的影响
3
10.3
电源与供电系统的 抗干扰措施
✓ 远离干扰源
✓ 安装电源低通滤波器
✓ 采取变压器屏蔽和分路供电措施
✓ 采取措施拓宽对电网波动的适应能力
✓ 使用压敏电阻和均衡器
✓ 直流侧去耦措施
✓ 供电系统应合理配线和布线
✓ 电柜接地和公共接地的处理
✓ 尖峰脉冲干扰的综合防治
4
10.4 信号传输通道的抗干扰措施
17
故障诊断的任务
故障诊断的任务是当系统发生故障时，系 统中的全部或部分的参量就表现出与正常状态 不同的特性，这种差异就包含着丰富的故障信 息，对系统故障的特征进行描述，并利用它去 检测和隔离系统的故障。
18
故障诊断的内容
✓ 故障的特征提取 ✓ 故障的分离与估计 ✓ 故障的评价和决策
19
2. 故障诊断方法
R(t)dt
etdt 1/
0
0
10
可保持性
可保持性(Maintainability)是指系统在给定 的时间内可以隔离或修复故障的概率，它表示 系统可以正常运行的概率，反映了维修人员的 维修速度。
11
可用性
系统的可用性(Availability)是指系统能按 要求正常工作的概率。
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2. 硬件故障冗余系统及其可靠性
信号传输通道的干扰，是由于电磁场耦合或 地线环路引起的。 ✓ 常用处理方法
• 抑制干扰源 • 使用双绞线和同轴电缆阻止耦合干扰的侵入 • 接地处理
5
10.5 系统可靠性设计
系统硬件可靠性的度量 硬件故障冗余系统及其可靠性 软件可靠性技术
6
1. 系统硬件可靠性的度量
故障率 可靠性与不可靠性 平均无故障间隔时间 可保持性 可用性
故障诊断方法
✓ 基于信号处理的方法 • 利用Kullback信息准则检测故障 • 基于小波变换的故障诊断方法
✓ 基于知识的方法 • 基于神经网络的方法 • 模糊逻辑方法
21
14
10.6 故障诊断技术
故障类型、故障诊断的任务及研究内容 故障诊断方法
15
1. 故障类型、故障诊断的任务及研究内容
故障类型 故障诊断的任务 故障诊断的内容
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故障类型
从故障发生的部位看，分为传感器故障、执行 器故障、受控对象故障和控制器故障。
根据故障性质，分为突变故障和缓变故障。 从建模角度出发，可分为乘性故障和加性故障。 从故障间的相互关系，分为单故障和多故障、 独立故障和局部故障 。
可靠性是系统在规定的条件下和规定的时 间内完成功能的概率。
可靠性为
不可靠性为
R(t) S(t) / N
Байду номын сангаас
Q(t) F(t) / N
9
平均无故障间隔时间
平均无故障间隔时间表示的是从一次故障 到下一次故障的平均时间，记为MTBF（Mean Time Between Failures）。
MTRF