第7章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性

1、ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第七章第七章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念是一個定性的概念，可靠性越高越高。是一個定性的概念，可靠性越高越高。一、什么是可靠性？一、什么是可靠性？ 定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。功能的能力。（1 1）產(chǎn)品產(chǎn)品：元件、器件、部件、儀器設(shè)備或系統(tǒng)元件、器件、部件、儀器設(shè)備

2、或系統(tǒng)（2 2）規(guī)定條件規(guī)定條件：環(huán)境條件、使用條件等環(huán)境條件、使用條件等（3 3）規(guī)定時(shí)間規(guī)定時(shí)間：抽樣測試產(chǎn)品的時(shí)間域抽樣測試產(chǎn)品的時(shí)間域（4 4）規(guī)定功能規(guī)定功能：產(chǎn)品的性能指標(biāo)產(chǎn)品的性能指標(biāo)（5 5）能力能力：在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能。功能。舉例：不同型號的計(jì)算機(jī)、燈泡等，注意測試的產(chǎn)品是一批樣本，舉例：不同型號的計(jì)算機(jī)、燈泡等，注意測試的產(chǎn)品是一批樣本，而不是一個。而不是一個。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念可靠性的量化評價(jià)

3、。可靠性的量化評價(jià)。二、可靠性指標(biāo)二、可靠性指標(biāo)1、可靠度、可靠度R(t)例子：例子：產(chǎn)品：燈泡產(chǎn)品：燈泡N0個（樣本）個（樣本）規(guī)定條件：規(guī)定條件：220VAC規(guī)定時(shí)間：規(guī)定時(shí)間：5h/天天規(guī)定功能：正常發(fā)光規(guī)定功能：正常發(fā)光概率：概率：2年損壞年損壞20%，4年損壞年損壞40%，6年損壞年損壞80%。（注。（注意：這個概率是損壞的概率，不是可靠度）意：這個概率是損壞的概率，不是可靠度） 定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的功能的概率概率。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSys

4、tems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念注意：注意：(1) (1) 可靠度可靠度R(t)R(t)與時(shí)間有關(guān)，含義是運(yùn)行時(shí)間與時(shí)間有關(guān)，含義是運(yùn)行時(shí)間t t不發(fā)生不發(fā)生 故障的概率；故障的概率；(2) R(t)(2) R(t)是一個無量綱數(shù)，且是一個無量綱數(shù)，且1)(0tR2、失效率、失效率(t) (1) 定義：產(chǎn)品運(yùn)行到定義：產(chǎn)品運(yùn)行到t時(shí)刻，時(shí)刻，單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的產(chǎn)品數(shù)產(chǎn)品數(shù)與與t時(shí)刻完好產(chǎn)品數(shù)時(shí)刻完好產(chǎn)品數(shù)之比。之比。對于一個產(chǎn)品而言，可靠度越高越好。對于一個產(chǎn)品而言，可靠度越高越好。單位時(shí)間內(nèi)故障產(chǎn)品數(shù)：單位時(shí)間內(nèi)故障產(chǎn)品數(shù)：完好產(chǎn)品數(shù)：完好產(chǎn)品數(shù)：)(0t

5、RN tttRtRN/)()(0總品數(shù)：總品數(shù)：0NComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念t t時(shí)刻的失效率時(shí)刻的失效率(t)(t)為：為：tdtttRtttetRtRtRdtttdRtRdttdttdRtRtttRttRtRtRNtttRtRNt0)()(100000)()(ln)(ln)()()(1)()()(1)()()()(lim)(/)()(lim)(上式即為可靠度和失效率的關(guān)系，對于電子產(chǎn)品，一上式即為可靠度和失效率的關(guān)系，對于電子產(chǎn)品，一般給出的是產(chǎn)品失效率。般給出的是產(chǎn)品失效

6、率。注意：當(dāng)注意：當(dāng)(t)=(t)=常數(shù)時(shí)，則常數(shù)時(shí)，則tetR)(ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念 (2) 電子產(chǎn)品的失效率曲線電子產(chǎn)品的失效率曲線早期失效期早期失效期：產(chǎn)品出廠前需要測試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，排除故障。：產(chǎn)品出廠前需要測試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，排除故障。偶然失效期：產(chǎn)品投入使用后，失效率基本為一常數(shù)。偶然失效期：產(chǎn)品投入使用后，失效率基本為一常數(shù)。耗損失效期：產(chǎn)品到了使用年限，需要更換。耗損失效期：產(chǎn)品到了使用年限，需要更換。因此：使用中的電子產(chǎn)品，可認(rèn)為失效率為一常數(shù)。因此：

7、使用中的電子產(chǎn)品，可認(rèn)為失效率為一常數(shù)。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念3、平均無故障時(shí)間（、平均無故障時(shí)間（MTBF） 指的是系統(tǒng)連續(xù)兩次故障之間的平均時(shí)間間隔。按指的是系統(tǒng)連續(xù)兩次故障之間的平均時(shí)間間隔。按照可靠度定義，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，照可靠度定義，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，MTBF可表示如下：可表示如下：0)( dttRMTBF系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)通常用系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)通常用MTBF表示。表示。根據(jù)可靠度和失效率之間的關(guān)系：根據(jù)可靠度和失效率之間的關(guān)系：tetR)(1100ttedteMTBF

8、ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第一節(jié)第一節(jié) 可靠性的概念可靠性的概念4、平均修復(fù)時(shí)間（、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR） 指的是修復(fù)系統(tǒng)故障所用的平均時(shí)間。指的是修復(fù)系統(tǒng)故障所用的平均時(shí)間。MTBFMTTR 5、利用率、利用率MTTRMTBFMTBFA對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)A=99.98-99.99%ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析一、可靠性邏輯圖一、可靠性邏輯圖 1 1、串聯(lián)系統(tǒng)、串聯(lián)系統(tǒng) 系統(tǒng)中

9、任何一個單元失效，都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，系統(tǒng)中任何一個單元失效，都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，只有當(dāng)系統(tǒng)中所有單元全部正常工作時(shí)，系統(tǒng)才能正常工只有當(dāng)系統(tǒng)中所有單元全部正常工作時(shí)，系統(tǒng)才能正常工作。作。 2 2、并聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng) 系統(tǒng)中多個單元完成同一功能，其中只要有一個單元系統(tǒng)中多個單元完成同一功能，其中只要有一個單元尚能正常工作，則整個系統(tǒng)即可正常工作。尚能正常工作，則整個系統(tǒng)即可正常工作。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析 注：系統(tǒng)可靠性邏輯圖，只反映系統(tǒng)中各單元在可靠性注：系統(tǒng)

10、可靠性邏輯圖，只反映系統(tǒng)中各單元在可靠性方面的邏輯關(guān)系，與各單元的物理連接無關(guān)。方面的邏輯關(guān)系，與各單元的物理連接無關(guān)。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析二、串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析二、串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析 一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又由多個功能模件（塊）組成，每個各子系統(tǒng)又由多個功能模件（塊）組成，每個模件（塊）模件（塊）有若干個元器件構(gòu)成，因此在分析系統(tǒng)可靠性時(shí)，必須從有若干個元器件構(gòu)成，因此在分析系統(tǒng)可靠

11、性時(shí)，必須從功能模件的可靠性入手，每個模件無論物理連接如何，只功能模件的可靠性入手，每個模件無論物理連接如何，只要有一個元器件失效則整個模件都將失效。要有一個元器件失效則整個模件都將失效。例如：例如： 一個一個I/O模件即可看成由若干個元器件構(gòu)成的串聯(lián)系模件即可看成由若干個元器件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。統(tǒng)。 一個鍋爐汽包壓力單回路一個鍋爐汽包壓力單回路PID控制回路可看成是由控制回路可看成是由多個單元構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。多個單元構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析二、串聯(lián)系統(tǒng)可

12、靠性分析二、串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析 可靠度：可靠度：所用串聯(lián)單元可靠度的乘所用串聯(lián)單元可靠度的乘積。積。1()11( )( )niiinnttciiiRtR tee1nii0( )ccMTBFR t dt設(shè)設(shè)則則平均無故障時(shí)間：平均無故障時(shí)間：111cniiMTBF（定義）（定義）ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析三、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析三、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析從理論上來講，并聯(lián)的單元越多，可靠性越高。從理論上來講，并聯(lián)的單元越多，可靠性越高?？煽慷龋嚎煽慷龋?( )1(1( )ncii

13、R tR t 0( )ccMTBFR t dt平均無故障時(shí)間：平均無故障時(shí)間：例：兩個單元并聯(lián)，失效率分別為例：兩個單元并聯(lián)，失效率分別為1和和2，計(jì)算，計(jì)算MTBF。121212()21 (1)(1)tttttReeeee 201212111( )cMTBFR t dtComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析12331231213231231111111116MTBF當(dāng)n=3,= 時(shí)，12232MTBF當(dāng)時(shí)，ComputerComputerControlled Controlled

14、SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析四、串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析四、串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析11( ) 1(1( )NncijijR tR t 0( )ccMTBFR t dtComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析四、并串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析四、并串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析0( )ccMTBFR t dt11( )(1(1( )nNcijjiR tRtComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié)

15、 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析五、備份系統(tǒng)可靠性分析五、備份系統(tǒng)可靠性分析 1 1、冷備份系統(tǒng)、冷備份系統(tǒng) 是一種冗余系統(tǒng)，其中一個單元工作，另外一個或是一種冗余系統(tǒng)，其中一個單元工作，另外一個或多個單元多個單元不工作不工作，作為工作系統(tǒng)的后備，一旦工作單元，作為工作系統(tǒng)的后備，一旦工作單元失效，后備系統(tǒng)立即投入工作，保證系統(tǒng)正常工作。失效，后備系統(tǒng)立即投入工作，保證系統(tǒng)正常工作?？紤]兩個獨(dú)立單元組成的冷備份系統(tǒng)，設(shè)失效率均為考慮兩個獨(dú)立單元組成的冷備份系統(tǒng)，設(shè)失效率均為，則整個系統(tǒng)則整個系統(tǒng)2MTBF如：兩路電源供電，一路運(yùn)行，一路備用。如：兩路電源供電，一路運(yùn)行，一路備用。Comput

16、erComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析 2、熱備份系統(tǒng)、熱備份系統(tǒng) 處于待機(jī)狀態(tài)，接收系統(tǒng)中全部信息，但不參與控制，處于待機(jī)狀態(tài)，接收系統(tǒng)中全部信息，但不參與控制，一旦工作單元故障，可及時(shí)進(jìn)行切換。典型的例子：雙一旦工作單元故障，可及時(shí)進(jìn)行切換。典型的例子：雙CPU運(yùn)行。運(yùn)行。熱備份系統(tǒng)：正常時(shí)，備用單元部分運(yùn)行；熱備份系統(tǒng)：正常時(shí)，備用單元部分運(yùn)行；冷備份系統(tǒng)：正常時(shí)，備用單元完全不運(yùn)行；冷備份系統(tǒng)：正常時(shí)，備用單元完全不運(yùn)行；并聯(lián)系統(tǒng)：正常時(shí)，并聯(lián)的單元同樣運(yùn)行。并聯(lián)系統(tǒng)：正常時(shí)，并聯(lián)的單元

17、同樣運(yùn)行。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析設(shè)單元待機(jī)狀態(tài)失效率為設(shè)單元待機(jī)狀態(tài)失效率為 ，工作，工作狀態(tài)失效率為狀態(tài)失效率為，顯，顯然然 。則由兩種單元構(gòu)成的熱備份系統(tǒng)的平均無故則由兩種單元構(gòu)成的熱備份系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間障工作時(shí)間MTBFMTBF為：為：2001()0( )1(1( )111iitttM TBFR t dtRtdteeedt 當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，MTBF=2/，相當(dāng)于冷備份系統(tǒng)，相當(dāng)于冷備份系統(tǒng) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， MTBF=1/(11/2)=3/(2)，相當(dāng)，相

18、當(dāng) 于并聯(lián)系統(tǒng)。于并聯(lián)系統(tǒng)。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)的可靠性分析系統(tǒng)的可靠性分析六、練習(xí)六、練習(xí)已知離散控制系統(tǒng)可靠性單元結(jié)構(gòu)如圖所示，試求系已知離散控制系統(tǒng)可靠性單元結(jié)構(gòu)如圖所示，試求系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間MTBF。 ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三節(jié)第三節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的措施提高系統(tǒng)可靠性的措施一、引言一、引言提高系統(tǒng)的可靠性一般有兩種方法：避錯技術(shù)和容錯提高系統(tǒng)的可靠性一般有兩種方法：避錯技

19、術(shù)和容錯技術(shù)。技術(shù)。避錯技術(shù)：避錯技術(shù)：采用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法盡采用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法盡量減少錯誤出現(xiàn)的概率。量減少錯誤出現(xiàn)的概率。避錯技術(shù)解決的是如何生產(chǎn)出可靠的系統(tǒng)。避錯技術(shù)避錯技術(shù)解決的是如何生產(chǎn)出可靠的系統(tǒng)。避錯技術(shù)受工藝、材料、技術(shù)等一些限制，只能將可靠性提高到一受工藝、材料、技術(shù)等一些限制，只能將可靠性提高到一定的限度。定的限度。 ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems第三節(jié)第三節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的措施提高系統(tǒng)可靠性的措施容錯技術(shù)：容錯技術(shù)：在在容忍容忍和和承認(rèn)承認(rèn)錯誤的前提下，考慮如何錯誤的

20、前提下，考慮如何消消除、抑制和減少除、抑制和減少錯誤影響的綜合性技術(shù)。錯誤影響的綜合性技術(shù)。 容錯技術(shù)是解決系統(tǒng)如何帶病工作的問題。容錯容錯技術(shù)是解決系統(tǒng)如何帶病工作的問題。容錯技術(shù)得到了人們的普遍重視，是提高可靠性的重要措施。技術(shù)得到了人們的普遍重視，是提高可靠性的重要措施。 容錯技術(shù)的根本就是采用容錯技術(shù)的根本就是采用冗余設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。技術(shù)。ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems1 1、冗余化設(shè)計(jì)、冗余化設(shè)計(jì)（1 1）硬件堆積冗余（靜態(tài)冗余）硬件堆積冗余（靜態(tài)冗余） 定義：多個功能相同的模塊同時(shí)運(yùn)行，通過表決定義：多個功

21、能相同的模塊同時(shí)運(yùn)行，通過表決器選擇其一作為系統(tǒng)輸出。器選擇其一作為系統(tǒng)輸出。 考慮考慮:(1):(1)靜態(tài)冗余屬于并聯(lián)、冷備還是熱備？靜態(tài)冗余屬于并聯(lián)、冷備還是熱備？ (2)(2)例子：水位測量三取中例子：水位測量三取中（2 2）待命儲備冗余（動態(tài)冗余）待命儲備冗余（動態(tài)冗余） 定義：系統(tǒng)由定義：系統(tǒng)由s+1s+1個相同功能模塊組成，其中一個個相同功能模塊組成，其中一個運(yùn)行，其余作冷備用（或熱備用）。運(yùn)行，其余作冷備用（或熱備用）。 例子：例子：DCSDCS現(xiàn)場站一對多功能處理器（熱備用）?，F(xiàn)場站一對多功能處理器（熱備用）。（3 3）混合冗余）混合冗余第三節(jié)第三節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的措施提高系

22、統(tǒng)可靠性的措施二、提高系統(tǒng)硬件可靠性的措施二、提高系統(tǒng)硬件可靠性的措施ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems2 2、提高元器件及設(shè)備質(zhì)量、提高元器件及設(shè)備質(zhì)量（1 1）元器件篩選、老化）元器件篩選、老化（2 2）設(shè)備、部件可靠性及疲勞試驗(yàn)）設(shè)備、部件可靠性及疲勞試驗(yàn)3 3、保證電路板質(zhì)量及焊接工藝、保證電路板質(zhì)量及焊接工藝第三節(jié)第三節(jié) 提高系統(tǒng)可靠性的措施提高系統(tǒng)可靠性的措施二、提高系統(tǒng)硬件可靠性的措施二、提高系統(tǒng)硬件可靠性的措施ComputerComputerControlled Controlled SystemsSystems1 1）故障診斷）故障診斷 看門狗技術(shù)看門狗技術(shù)2 2）開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法）開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法 采用提高可調(diào)試性設(shè)計(jì)方法、面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化采用提高可調(diào)試性設(shè)計(jì)方法、面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)驗(yàn)證、開發(fā)新的程序設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)驗(yàn)證、開發(fā)新的程序設(shè)計(jì)方法。3 3）模塊化程序設(shè)計(jì)）模塊化程序設(shè)計(jì)（1 1）結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、透明度好）結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、透明度好（2 2）設(shè)計(jì)過程簡單，可減少設(shè)計(jì)錯誤）設(shè)計(jì)過程簡單，可減少設(shè)計(jì)錯誤（3