微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)8

1、第八章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的可靠性保證第一節(jié) 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)可靠性的基本概念第二節(jié) 提高硬件可靠性的措施第三節(jié) 提高軟件可靠性的措施第五節(jié) 控制系統(tǒng)的故障診斷第四節(jié) 電磁干擾的屏蔽與濾除共二十七頁(yè)第一節(jié) 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)可靠性的基本概念 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性可定義為，在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)正確(zhngqu)完成規(guī)定功能的能力。一、可靠性的基本概念1固有可靠性 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在制造過(guò)程中需要進(jìn)行材料和元器件的選擇、設(shè)計(jì)、制造、組裝，環(huán)境試驗(yàn)等。由這一過(guò)程所決定的可靠性是系統(tǒng)的內(nèi)在可靠性，稱為系統(tǒng)的固有可靠性。2工作可靠性

2、這是指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行和執(zhí)行任務(wù)時(shí)的可靠性。3可靠度共二十七頁(yè) 控制系統(tǒng)可靠度定義為系統(tǒng)在規(guī)定的條件(tiojin)和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。4失效率 失效率是系統(tǒng)運(yùn)行(ynxng)到t時(shí)刻時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的系統(tǒng)數(shù)與時(shí)刻t時(shí)完好的系統(tǒng)數(shù)之比。5平均壽命 按照可靠度的定義，如果一種產(chǎn)品在時(shí)刻t內(nèi)正常工作的概率為R(t)，則按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，該產(chǎn)品壽命的數(shù)學(xué)期望值亦即平均壽命m可表示為6平均修復(fù)時(shí)間和利用率 平均修復(fù)時(shí)間(Mean Time To Repair)，簡(jiǎn)稱為MTTR也是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值,共二十七頁(yè)可用下式表示(biosh):利用率是可修復(fù)產(chǎn)品的另一項(xiàng)可靠性指標(biāo)(zhbio)，由下式

3、定義:二、系統(tǒng)可靠性分析1系統(tǒng)可靠性的邏輯框圖基本的可靠性邏輯框圖有串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)兩種形式。式中,N為維修次數(shù)， 為第i次維修所用的時(shí)間。共二十七頁(yè)串聯(lián)系統(tǒng)其邏輯(lu j)框圖如圖所示。并聯(lián)(bnglin)系統(tǒng)其邏輯框圖如圖所示共二十七頁(yè)2串聯(lián)系統(tǒng)(xtng)的可靠性分析 在控制系統(tǒng)的每塊模板上，不論元件的物理連接如何，通常仟何一個(gè)(y )元件失效都可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(diǎn)組成的串聯(lián)系統(tǒng)。3并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分析 對(duì)于可靠性并聯(lián)系統(tǒng)，只有當(dāng)所有并聯(lián)的單元都失效時(shí)，系統(tǒng)才失效，于是系統(tǒng)的不可靠度為其中 為第i個(gè)單元的失效概率(不可靠度)

4、。從而系統(tǒng)可靠度共二十七頁(yè) 下面先考慮兩個(gè)單元并聯(lián)的情況，設(shè)其 分別為 和 ,則并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為系統(tǒng)的MTBF為若 則上式簡(jiǎn)化為同樣可以(ky)得出3個(gè)單元并聯(lián)時(shí)的MTBF為當(dāng) 時(shí)有共二十七頁(yè)三、系統(tǒng)故障的來(lái)源(liyun)1內(nèi)部(nib)因素 產(chǎn)生故障的原因來(lái)自計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本身。2環(huán)境因素另外，運(yùn)行操作人員的誤操作，也可能造成系統(tǒng)故障。系統(tǒng)的工作環(huán)境,四、提高系統(tǒng)可靠性的途徑提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，主要有以下幾條途徑：1改進(jìn)元、部件的可靠性2降低使用應(yīng)力水準(zhǔn)3簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4采用冗余設(shè)計(jì)5是高維護(hù)技術(shù)共二十七頁(yè)第二節(jié) 提高硬件(yn jin)可靠性的措施一、正確(zhngqu)選用元器

5、件4元件的降級(jí)使用二、冗余設(shè)計(jì)針對(duì)獨(dú)立故障和相依故障，冗余設(shè)計(jì)可分別采用熱備份和冷備份二種形式。1元件的老化應(yīng)注意以下問(wèn)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(一)熱備份共二十七頁(yè)熱備份(bi fn)系統(tǒng)又有如下一些形式：1并聯(lián)(bnglin)備份系統(tǒng)若每個(gè)備份的可靠度為，則整個(gè)并聯(lián)備份系統(tǒng)的可靠度為共二十七頁(yè)2并串聯(lián)(chunlin)備份系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠度共二十七頁(yè)3串一并聯(lián)備份(bi fn)系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠度為若可靠度為指數(shù)規(guī)律，則上式變?yōu)楣捕唔?yè)(二)冷備份(bi fn)冷備份系統(tǒng)的工作特點(diǎn)是在所有備份的元部件或分系統(tǒng)中，只有一個(gè)在工作，其余均處于待命(dim

6、ng)的狀態(tài)。冷備份系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是隔離了各個(gè)分系統(tǒng)之間相依故障的相互影響，這等效于把每個(gè)分系統(tǒng)中的相依故障轉(zhuǎn)換為獨(dú)立故障，從而有效地提高了相依故障備份冗余系統(tǒng)的可靠性。另外，由于每個(gè)備用的分系統(tǒng)都處于待命狀態(tài)，所以能夠降低設(shè)備的耗損，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。(三)應(yīng)用舉例要實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備份工作，除要作好硬件、軟件的設(shè)計(jì)工作外，主要需要解決好如下3個(gè)問(wèn)題。1同步問(wèn)題2故障檢測(cè)3無(wú)擾動(dòng)切換共二十七頁(yè)第三節(jié) 提高(t go)軟件可靠性的措施一、軟件(run jin)故障的特點(diǎn) 由于軟件在運(yùn)行時(shí)不存在老化問(wèn)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(shè)法保證軟

7、件在投入現(xiàn)場(chǎng)使用前，已進(jìn)入成熟階段。二、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)模型。這種模型的簡(jiǎn)化形式為三、提高軟件可靠性的措施共二十七頁(yè)常用(chn yn)的規(guī)則(一)分析掌握(zhngw)軟件設(shè)計(jì)要求。(二)選擇合適的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其開(kāi)發(fā)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(diǎn)： 1)控制系統(tǒng)軟件應(yīng)嚴(yán)格采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊間接口定義要清晰明確，模塊劃分簡(jiǎn)潔合理。2)程序設(shè)計(jì)人員應(yīng)具有細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，細(xì)心地編寫(xiě)程序。 任何一種軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)都需使用各種工具軟件，在選用時(shí)應(yīng)慎重，盡量使用經(jīng)過(guò)多次運(yùn)用，證明效果良好的工具軟

8、件。共二十七頁(yè)3)程序應(yīng)有詳盡的注釋，以保證良好的可讀性，易于分析(fnx)和修改。4)對(duì)程序的調(diào)試情況應(yīng)有完整的記錄，以便從中發(fā)現(xiàn)潛在(qinzi)的問(wèn)題。 5)程序應(yīng)具有良好的抗干擾能力，保證外界侵入的非法信息不會(huì)干撫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(四)仔細(xì)檢查，測(cè)試，試運(yùn)行(五)正確選用軟件的存儲(chǔ)介質(zhì)程序編好后，要對(duì)所編程序進(jìn)行查錯(cuò)，測(cè)試和校驗(yàn)檢查。 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，為防止干擾破壞控制系統(tǒng)的軟件，應(yīng)將程序代碼固化在只讀存儲(chǔ)器(ROM)之中，重要數(shù)據(jù)放在非易失性RAM之中。共二十七頁(yè)第四節(jié) 電磁干擾的屏蔽(pngb)與濾除一、干擾源及其和電路(dinl)間的耦合常見(jiàn)的一些干擾源：1)工業(yè)

9、電器設(shè)備產(chǎn)生的電火花。2)各種半導(dǎo)體變流電路。3)大功率電力負(fù)荷在電流發(fā)生變化時(shí)，引起的周圍磁場(chǎng)的變化。 除了上述這些來(lái)自系統(tǒng)外界的干擾源外，在系統(tǒng)內(nèi)部還會(huì)出現(xiàn)其他一些干擾，常見(jiàn)的有： 1)電源自身產(chǎn)生的干擾。 2)電路之間通過(guò)分布電容的耦合產(chǎn)生的擾。 3)設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的干擾。共二十七頁(yè)4)不同金屬接觸或聯(lián)結(jié)，因熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓干擾。5)接頭間接觸不良，由于(yuy)電解作用產(chǎn)生的化學(xué)性質(zhì)電壓干擾。6)電阻器的熱噪聲。下面是常見(jiàn)的幾種耦合形式：(1)阻容耦合(2)磁耦合 （3）靜電耦合二、系統(tǒng)(xtng)抗電磁干擾的措施(一)電源電路的抗干擾措施在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中通常采用的供電電路如圖

10、共二十七頁(yè)1)采用交流穩(wěn)壓器；2)采用電源濾波器；3)電源變壓器一次側(cè)、二次側(cè)間應(yīng)采用靜電屏蔽措施；4)采用高性能的穩(wěn)壓電源。共二十七頁(yè) 5)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，向繼電器、信號(hào)(xnho)指示燈等執(zhí)行元件供電的變壓 器應(yīng)與向計(jì)算機(jī)等供電的變壓器分開(kāi)。6)供電系統(tǒng)的配線應(yīng)采取如下一些防干擾(gnro)措施：電源部分應(yīng)盡可能安放在距電源引進(jìn)口很近的地方。 從電源引進(jìn)口，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)器件和低通濾波器，直到電源的配線盡量選用粗導(dǎo)線。 電源后面的一段布線，均應(yīng)采用扭絞線，扭絞的螺距要小，如果導(dǎo)線較粗，無(wú)法扭絞時(shí)，應(yīng)把布線距離縮到最短程度。 交流線(指低通濾波器到穩(wěn)壓電源裝置的連線)、直流穩(wěn)壓電源線、邏輯信號(hào)

11、線和模擬信號(hào)線、繼電器等感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)線、非穩(wěn)壓的直流線均應(yīng)分開(kāi)布線。共二十七頁(yè)(二)良好(lingho)的接地措施1放大器與信號(hào)源的接地2電路及電路板的接地3系統(tǒng)的接地(三)信號(hào)線的屏蔽(pngb)其作用原理為：1對(duì)靜態(tài)耦合的屏蔽 外部干擾通過(guò)靜電或電容耦合的情況。如圖共二十七頁(yè)2對(duì)磁耦合的屏蔽(pngb)磁耦合是一種電磁(dinc)特性，這種耦合在兩根或多根導(dǎo)線中存在。如圖共二十七頁(yè)(四)印刷(ynshu)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(dǎo)線(2)金屬導(dǎo)線管(3)設(shè)備屏蔽(4)部件屏蔽下面是幾個(gè)需注意的問(wèn)題：1引線阻抗2地線設(shè)計(jì)3濾波4抑制引線間的相互干擾

12、共二十七頁(yè)第五節(jié) 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的故障診斷(1)故障建模(2)故障檢測(cè)(3)故障分離(4)故障評(píng)定(5)故障補(bǔ)償一、故障診斷方法(fngf)簡(jiǎn)介故障診斷研究的內(nèi)容包括如下五個(gè)方面目前主要的方法有如下幾種。1冗余方法2參數(shù)估計(jì)方法3狀態(tài)估計(jì)方法4基于專家系統(tǒng)的故障診斷二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在線故障檢測(cè)方法共二十七頁(yè)1程序(chngx)監(jiān)視器 程序監(jiān)視器又名看門狗(watch Dog)，它的作用是監(jiān)視程序的執(zhí)行，當(dāng)暫時(shí)故障或干擾使程序的執(zhí)行脫離了程序區(qū)，監(jiān)視器可立即發(fā)現(xiàn)并做出處理。程序監(jiān)視器如圖所示：共二十七頁(yè)2奇偶校驗(yàn) 在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)存(ni cn)時(shí)，為了能夠在線檢測(cè)內(nèi)存(ni cn)讀寫(xiě)過(guò)程中的故障，可以在每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)上加上奇偶校驗(yàn)位。如圖：3DA、AD轉(zhuǎn)換器故障(gzhng)檢測(cè)本章完共二十七頁(yè)內(nèi)容摘要第八章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性保證。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性可定義為，在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)正確完成規(guī)定功能的能力。由這一過(guò)程所決定的可靠性是系統(tǒng)的內(nèi)在可靠性，。控制系統(tǒng)可靠度定義為系統(tǒng)在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完