计算机控制系统可靠性设计
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第10章可靠性设计与分析可靠性是指系统在规定的时间内能够正常运行的概率,是一个系统的重要性能指标。
在设计和分析中,可靠性是一个重要的考虑因素,因为它直接影响系统的可用性、维护成本以及用户对系统的满意度。
可靠性设计是指在设计过程中考虑和优化可靠性的方法和技术。
在可靠性设计中,需要确定系统的关键部件和功能,识别潜在的风险和故障点,并采取措施提高系统的可靠性。
可靠性设计的目标是通过降低系统故障的概率、增加系统的容错能力和故障恢复能力,提高系统的可靠性。
可靠性分析是指通过对系统进行分析和评估,确定系统的可靠性水平和存在的问题。
在可靠性分析中,可以采用多种方法,包括故障树分析、可靠性块图、失效模式与效应分析等。
通过可靠性分析,可以识别系统的脆弱点和风险,制定相应的改进措施,提高系统的可靠性。
在进行可靠性设计和分析时,需要考虑以下几个方面:1.系统结构:系统的结构对可靠性有着重要影响。
合理的系统结构可以提高系统的可靠性,使得系统更容易发现和隔离故障,减少故障传播的可能性。
在设计过程中,应根据系统的要求和功能,选择合适的系统结构。
2.故障模式与效应:了解系统的故障模式与效应对可靠性设计和分析至关重要。
通过分析系统的故障模式,可以预测系统的故障概率和效应,选择合适的设计策略和措施,提高系统的可靠性。
3.可用性评估:可用性是指系统在给定时间内正常运行的概率。
在可靠性设计和分析中,需要对系统的可用性进行评估。
通过评估系统的可用性,可以确定系统的可靠性水平,并找到影响系统可用性的关键因素,从而制定相应的改进措施。
4.故障模拟与测试:故障模拟与测试是可靠性设计和分析的重要手段。
通过模拟和测试系统的故障,可以了解系统的可靠性水平和存在的问题,找到关键故障点,并采取相应的措施,提高系统的可靠性。
5.可靠性预测与优化:可靠性预测是根据系统的设计和性能参数,对系统的可靠性进行预测和评估。
通过可靠性预测,可以了解系统的可靠性水平,选择合适的设计参数和措施,优化系统的可靠性。
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。
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是指在控制工程领域中,针对特定的系统设计出相应的控制系统,以实现对系统的监控和控制。
在这个过程中,设计人员需要考虑多方面的因素,包括系统的稳定性、性能、鲁棒性等。
控制系统设计的基本内容之一是系统建模。
在设计控制系统之前,首先需要对被控对象进行建模,即将实际系统抽象成数学模型,以便进行分析和设计。
建模的过程可以采用不同的方法,如传递函数法、状态空间法等。
通过建模可以更好地理解系统的特性,为后续的控制器设计奠定基础。
控制器设计是控制系统设计的核心内容之一。
根据系统的特性和要求,设计合适的控制器来实现对系统的控制。
常见的控制器包括比例积分微分(PID)控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
不同类型的控制器适用于不同的系统,设计人员需要根据实际情况选择合适的控制器。
信号采集和处理也是控制系统设计的重要内容之一。
通过传感器采集系统的状态信息,然后经过信号处理模块对信号进行处理,提取有效信息并传递给控制器。
信号采集和处理的准确性和及时性对系统的控制效果起着至关重要的作用。
控制系统设计还需要考虑系统的稳定性和性能。
稳定性是指系统在受到干扰或参数变化时能够保持稳定的能力,设计人员需要通过合理的控制策略来保证系统的稳定性。
性能则是指系统在实际操作中能够达到的指标,如响应速度、抗干扰能力等。
设计人员需要根据实际需求来平衡系统的稳定性和性能。
控制系统设计还需要考虑系统的实时性和可靠性。
实时性是指系统对输入信号能够做出及时响应的能力,设计人员需要考虑信号处理和控制算法的复杂度,以确保系统能够在规定的时间内完成控制任务。
可靠性则是指系统在长时间运行中能够保持正常工作的能力,设计人员需要考虑系统的容错性和自诊断能力,以提高系统的可靠性。
计算机控制系统设计的基本内容包括系统建模、控制器设计、信号采集和处理、稳定性和性能、实时性和可靠性等方面。
设计人员需要综合考虑这些因素,以实现对系统的有效监控和控制,从而达到预期的控制效果。
计算机联锁系统安全可靠性计算机联锁系统在铁路交通控制和管理中起到至关重要的作用。
它通过对列车运行状态的监测、数据处理和信号传递,确保列车之间的安全间隔、信号灯的正确显示以及列车行车方向的正确控制。
因此,计算机联锁系统的安全可靠性对铁路运输的安全性和效率起着至关重要的作用。
首先,计算机联锁系统的安全性是指系统能够防止错误或故障对铁路运输造成严重后果的能力。
为了保证计算机联锁系统的安全性,可以采取以下措施:1.可靠的硬件设备:计算机联锁系统应采用高可靠性的硬件设备,如双冗余设计、热备份等,以防止硬件故障对系统正常运行产生影响。
2.多层次的软件验证:计算机联锁系统的软件应经过多层次的验证,包括需求验证、设计验证、代码验证等,以确保软件的正确性和稳定性。
3.完备的测试:在系统投入运行之前,应对计算机联锁系统进行完备的测试,包括功能测试、性能测试和安全测试等,以发现并修复潜在的问题。
4.严格的标准和规范:计算机联锁系统的开发和运维应遵循严格的标准和规范,如铁路行业的相关标准和规范,以确保系统的可靠性和安全性。
其次,计算机联锁系统的可靠性是指系统能够长时间稳定运行而不出现故障的能力。
为了提高计算机联锁系统的可靠性,可以采取以下措施:1.定期的维护和检修:对计算机联锁系统的硬件设备和软件进行定期的维护和检修,以防止硬件老化、软件漏洞等问题导致的故障。
2.持续改进:对计算机联锁系统的性能和功能进行持续改进,包括更新硬件设备、升级软件版本等,以保持系统的可靠性和性能。
3.完备的备份和恢复机制:计算机联锁系统应具备完备的备份和恢复机制,包括数据备份、系统状态备份等,以确保故障发生时可以快速恢复系统。
4.高可用性设计:计算机联锁系统应采用高可用性的设计,包括冗余设备、分布式架构等,以降低单点故障和提高系统的可用性。
总的来说,计算机联锁系统的安全可靠性对铁路运输的安全性和效率至关重要。
通过采取合适的硬件设备、软件验证、测试和维护措施,可以提高系统的安全性和可靠性。
可信计算机系统评估准则tesec 概述说明1. 引言1.1 概述在当今信息化时代,计算机系统已经融入了人们的生活和工作中。
然而,随着技术的不断发展和应用范围的扩大,计算机系统所面临的安全问题也日益复杂和严峻。
为了确保计算机系统能够可靠、安全地运行,并保护用户的隐私和敏感数据,在评估计算机系统的可信度方面就显得尤为重要。
可信计算机系统评估准则(TESec)是一种被广泛采用并认可的评价体系,用于对计算机系统进行安全性评估和认证。
TESec旨在提供一个标准化、综合性的方法来确定计算机系统是否满足安全性要求,并帮助用户选择与自身需求匹配的可信计算机系统。
1.2 文章结构本文将首先介绍TESec背后的背景和起源,包括可信计算机系统在当今社会中的重要性以及TESec颁布和发展过程。
然后,将详细探讨TESec主要内容,包括安全性要求和目标、可信度评估方法和指标以及技术需求和规范要求。
接下来,我们将通过案例研究来展示TESec在实际应用中的效果与作用,包括嵌入式系统安全评估与认证、云计算平台可信性分析与验证以及虚拟化环境下可信感知技术研究。
最后,我们将对TESec进行总结,分析其存在的不足,并展望未来TESec 的发展方向和应用前景。
1.3 目的本文旨在向读者介绍和概述可信计算机系统评估准则TESec,明确其背景和发展历程,并详细说明其主要内容和应用领域。
通过深入了解TESec,读者可以获得对该评估准则的全面理解,进而提高对计算机系统评估和选择的能力。
同时,在对TESec进行总结和展望时,本文也能够为未来相关研究提供启示和参考。
2. 可信计算机系统评估准则TESec的背景2.1 可信计算机系统的重要性可信计算机系统是在确保其安全和可靠性方面经过严格评估和验证的计算机系统。
在当今信息化社会中,计算机系统承担着关键任务,如金融交易、电子健康记录和国家安全等。
因此,为确保这些系统能够正确运行并防范各种威胁,对其进行评估变得至关重要。
计算机系统设计计算机系统设计是一门研究计算机硬件、软件和它们的互连关系的学科。
它涉及到计算机系统的架构、操作系统、编程语言和编译器等方面的内容。
在这篇文章中,我们将探讨计算机系统设计的基本概念、方法和应用。
一、计算机系统设计的基本概念计算机系统设计包括以下几个基本概念:1. 系统结构:计算机系统的结构是指计算机各个组成部分之间的逻辑和物理关系。
它包括中央处理单元(CPU)、内存、输入输出设备等部分的连接与组织方式。
2. 通信和互连:计算机系统中各个组成部分之间的通信和互连非常重要。
通信和互连技术的选择和设计对于系统的性能和扩展能力有着直接的影响。
3. 性能评估:在计算机系统设计过程中,性能评估是一个重要的环节。
通过对系统进行性能测试和分析,可以发现和解决系统性能瓶颈问题,提高系统的性能。
4. 可靠性设计:计算机系统的可靠性是指系统在给定条件下正常工作的能力。
在设计计算机系统时,应该考虑各种可能的故障模式,并采取相应的措施来提高系统的可靠性。
二、计算机系统设计的方法计算机系统设计的方法主要包括以下几种:1. 自顶向下设计:自顶向下设计是一种逐步求精的设计方法。
它从整体出发,先设计系统的总体结构,再逐步细化到各个子系统的设计。
2. 模块化设计:模块化设计是将系统划分为若干个相互独立的模块,并设计每个模块的功能和接口。
这种设计方法可以提高系统的可维护性和可扩展性。
3. 并行设计:并行设计是指在计算机系统中引入并行计算的技术。
通过合理设计并行算法,可以提高系统的计算能力和响应速度。
4. 重用设计:重用设计是指利用已有的软件和硬件模块来构建新系统。
这种设计方法可以提高开发效率和降低开发成本。
三、计算机系统设计的应用计算机系统设计在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域:1. 嵌入式系统设计:嵌入式系统设计是指将计算机系统集成到其他设备或系统中,以实现特定的功能。
嵌入式系统广泛应用于汽车、电子产品、医疗设备等领域。
计算机硬件设计中的可靠性考虑计算机硬件的可靠性是指在正常操作条件下,硬件系统能够持续稳定地运行,并能正确地完成所需的计算任务,而不会出现任何故障或错误。
在计算机硬件设计中,考虑可靠性至关重要,它直接影响到计算机的性能、稳定性和用户的满意度。
本文将从多个角度探讨计算机硬件设计中的可靠性考虑。
一、环境因素的考虑(1)温度控制:计算机硬件内部的元件对温度敏感,过高的温度会导致电路的老化和损坏。
因此,在硬件设计过程中,需要合理选择散热器、风扇等散热设备,以确保硬件正常工作的温度范围。
(2)湿度控制:高湿度的环境会导致电子元件之间的电连接不良,甚至腐蚀元件表面,进而损坏硬件。
因此,在计算机硬件设计中,需要采取相应的防潮措施,保证硬件在适宜的湿度范围内工作。
二、可靠性预测与评估(1)可靠性预测:在计算机硬件设计之初,可以借助各种可靠性预测方法进行评估。
通过统计数据和模型计算,可以对硬件的寿命、失效率等进行预测,从而指导设计者选择合适的硬件元件和结构。
(2)可靠性评估:在硬件设计过程中,进行可靠性评估是不可或缺的一环。
通过模拟实验、功能测试、可靠性测试等手段,对硬件的固有缺陷或故障进行检测和诊断,以提前发现问题并及时改进设计。
三、冗余设计的应用冗余设计是提高计算机硬件可靠性的一种重要手段。
常见的冗余设计包括:备份电源、双通道设计、多CPU设计等。
这些设计的基本原理是在硬件系统中增加冗余部件,当某个部件故障时,能够自动切换到备用部件,确保系统的正常运行。
四、可靠性测试与验证在完成硬件设计后,需要进行可靠性测试与验证,以保证硬件的可靠性。
可靠性测试可以通过模拟实际工作负载、不同环境条件下的运行,对硬件进行长时间的压力测试。
同时,还可以进行硬件的故障注入测试,模拟硬件失效的情况,确保硬件在故障下的正常工作和恢复。
五、故障诊断与容错在实际使用中,计算机硬件可能会出现故障,因此,故障诊断和容错设计是必不可少的。
通过内建的故障诊断机制和容错策略,可以准确诊断故障的原因,并采取相应的措施进行修复或补偿,提高系统的可靠性和稳定性。
控制系统设计与仿真控制系统在现代科技领域中扮演着重要的角色。
它们被广泛应用于工业自动化、机器人技术、交通运输系统、电力系统和航空航天等领域。
为了确保控制系统的性能和可靠性,设计和仿真是不可或缺的步骤。
本文将介绍控制系统设计与仿真的概念、方法和相关工具,并探讨其中的一些关键问题。
一、控制系统设计概述控制系统设计是一个涉及多学科知识的复杂过程,它涉及到数学建模、信号处理、系统辨识、控制理论和实验验证等方面。
其目标是设计出一个能够满足特定要求的控制器,并实现对被控对象的准确控制。
控制系统设计过程可分为以下几个基本步骤:1. 系统建模:将被控对象建立数学模型,通常使用微分方程、差分方程或状态空间模型来描述系统的动态特性。
2. 控制器设计:根据系统的特性和要求,选择适当的控制策略(如比例-积分-微分(PID)控制、模糊控制、自适应控制等),并设计控制器的参数。
3. 控制器调整:通过仿真或实验验证,不断调整控制器参数,以使系统达到最佳性能。
4. 性能评估:通过指标(如稳态误差、响应速度、系统稳定性等)对系统的性能进行评估,并进行必要的优化。
二、控制系统仿真工具控制系统仿真是设计过程中的重要环节。
它可以帮助工程师在计算机上模拟和分析控制系统的行为,验证设计的正确性,并优化控制器的性能。
以下是几种常用的控制系统仿真工具:1. MATLAB/Simulink:MATLAB是一种强大的科学计算软件,Simulink是其配套的可视化建模和仿真工具。
它提供了丰富的控制系统模型库,方便用户进行系统建模、控制器设计和仿真分析。
2. LabVIEW:LabVIEW是国际上广泛使用的数据采集与控制系统设计软件。
它具有友好的图形化编程界面,支持多种硬件设备的控制和数据处理,适用于复杂系统的建模和仿真。
3. Simulink Real-Time:Simulink Real-Time是Matlab/Simulink的一个工具箱,用于系统的实时仿真与测试。
机电一体化的可靠性、安全性设计一、可靠性设计1.可靠性的基本概念要发挥机电一体化系统应有的作用,首先应使它可靠地工作,可靠性包括以下几个基本概念:(1)可靠性:是指产品(或系统)在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。
(2)规定条件:是指使用时的工作条件、环境条件和存储时的存储条件等,“规定条件”不同,产品的可靠性也不同。
(3)规定时间:其长短的不同,产品的可靠性也不同。
(4)完成规定功能:能够连续地保持产品(或系统)的工作能力,使各项技术指标符合规定值,否则就称为失效(故障)。
(5)失效(故障):是一种破坏产品(或系统)工作能力的事件,失效(故障)越频繁可靠性就越低。
2.可靠性的含义(1)产品(或系统)的无故障性是指产品在某一时期内(或某一段工作时间内),连续不断地保持其工作能力的性能。
(2)产品(或系统)和耐久性产品的耐久性是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下,保持其工作能力的性能。
一般来说,如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力,产品是不能长时期工作的。
3.保证产品(或系统)可靠性的方法保证产品具有必要的可靠性是一个综合性问题,不能单纯依靠某一特定的方法。
保证产品可靠性的方法主要有两种:(1)提高产品的设计和制造质量这是提高可靠性的最根本的方法,包括加大设计的安全系数,提高设计裕度;采取自动控制措施等。
(2)采用冗余技术冗余技术又称储备技术。
它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。
冗余有工作冗余和后备冗余两类,包括①工作冗余:有两个或两个以上单元并行工作,平均负担工作应力,所有单元都失效时,系统才失效。
②后备冗余:一个单元工作,另一个单元待机备用。
须设置失效检测与转换装置,检测到失效就启动转换装置,用后备单元代替失效单元。
机械系统很少采用冗余技术,而常采用裕度法来提高可靠性。
(3)采用诊断技术诊断的任务:一是出现故障时,迅速确定故障的种类和位置;二是在故障尚未发生时,确定产品中有关元器件距离极限状态的程度。
控制系统工程设计方案一、项目背景与目标随着科技的不断发展,控制系统在工业生产、交通运输、医疗设备等众多领域发挥着越来越重要的作用。
为了提高生产效率、降低成本、保障人员安全,本项目旨在设计一套高性能、高可靠性的控制系统,以满足某企业生产过程中对温度、压力、流量等参数的实时监控与控制需求。
二、系统需求分析1. 控制对象:温度、压力、流量等参数。
2. 控制精度:±0.5%3. 控制速度:快速响应,≤1s4. 通信方式:以太网、串口通信5. 系统可靠性:平均无故障时间(MTBF)≥5000h6. 用户界面:友好的人机交互界面,便于操作与维护三、系统设计方案1. 硬件设计(1)控制器:采用高性能工业控制计算机,具备强大的数据处理与运算能力。
(2)传感器:选用高精度、快速响应的温度、压力、流量传感器,确保信号的准确性与实时性。
(3)执行器:选用高效、可靠的电动调节阀门,实现对控制对象的精确控制。
(4)通信模块:采用以太网、串口通信模块,实现与上位机、其他设备的数据交互。
(5)电源模块:提供稳定的电源供应,确保系统正常运行。
2. 软件设计(1)控制算法:采用先进的PID控制算法,实现对控制对象的精确控制。
(2)数据处理:对实时采集的数据进行处理,生成趋势图、报警信息等。
(3)人机交互界面:采用图形化设计,便于操作与维护。
(4)远程监控:支持远程监控与控制,提高生产管理效率。
四、系统实施与测试1. 系统安装:按照设计方案,完成硬件设备的安装与调试。
2. 软件配置:配置控制参数,确保系统正常运行。
3. 系统测试:进行温度、压力、流量等参数的控制测试,验证系统性能。
4. 性能评估:根据测试结果,对系统性能进行评估,如有需要进行优化调整。
五、项目总结本项目成功设计并实现了一套控制系统工程,满足了企业对温度、压力、流量等参数的实时监控与控制需求。
经过实际运行与测试,系统具有高性能、高可靠性、快速响应等特点,为企业提高了生产效率、降低了成本、保障了人员安全。
计算机控制系统的设计步骤1. 研究被控对象、确定控制任务在进行系统设计之前,首先应该调查、分析被控对象及其工作过程,熟悉其工艺流程,并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求,确定所设计的系统应该完成的任务。
最后,采用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务,确定系统应该达到的性能指标,从而形成设计任务说明书,并经使用方的确认,作为整个控制系统设计的依据。
2. 确定系统总体控制方案一般设计人员在调查、分析被控对象后,已经形成系统控制的基本思路或初步方案。
一旦确定了控制任务,就应依据设计任务书的技术要求和已作过的初步方案,开展系统的总体设计。
总体设计包括以下内容:⑴确定系统的性质和结构根据系统的任务,确定系统的性质是数据采集处理系统,还是对象控制系统。
如果是对象控制系统,还应根据系统性能指标要求,决定采用开环控制,还是采用闭环控制。
⑵确定执行机构方案根据被控对象的特点,确定执行机构采用什么方案,比如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动,应对多种方案进行比较,综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。
⑶控制系统总体“黑箱”设计所谓“黑箱”设计,就是根据控制要求,将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象,采用方块图表示,从而形成系统的总体框图。
在这种总体框图上,只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系,而不知道“黑箱”的具体结构实现;各功能单元既可以是一个软件模块,也可以采用硬件电路实现。
⑷控制系统层次以及硬件、软件功能划分根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等,确定整个系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC),或者采用分布式控制,并划分各层次应该实现的功能。
同时,综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等,对硬件和软件功能进行划分,从而决定哪些功能由硬件实现,哪些功能由软件来完成。
在总体方案设计完成后,形成了系统组成的粗线条框图结构、硬件与软件划分等文件,供详细设计使用。
微型计算机控制系统设计1.系统需求分析与概念设计在设计微型计算机控制系统之前,首先需要进行一系列的需求分析和概念设计。
需求分析包括确定系统的功能需求、性能需求和其他特殊需求,如实时响应、可靠性等。
概念设计阶段则是对系统进行初步的设计,包括确定所需的软件和硬件组件,以及设计系统的整体架构。
2.硬件设计微型计算机控制系统的硬件设计主要包括选型和连接外围设备。
首先需要选择适合的微型计算机单板,同时根据系统需求选取合适的外围设备,如传感器、执行器、通信模块等。
然后,根据选定的硬件组件,设计整体的硬件连接与电源供应,确保各个部件可以正常工作并相互协调。
3.软件设计微型计算机控制系统的软件设计是整个系统的核心。
软件设计包括开发控制算法,设计用户界面和编写程序代码等。
首先,需要根据系统需求,设计合适的控制算法,将其转化为计算机可以理解的代码。
然后,通过编程语言编写代码,实现各个部件的控制和通信。
最后,设计用户界面使得用户可以方便地与系统交互。
4.系统测试与调试在完成硬件和软件设计后,需要进行系统测试和调试。
系统测试是为了验证系统的功能和性能是否符合设计要求。
测试可以通过模拟真实环境来进行,也可以使用仿真工具进行虚拟测试。
测试的结果将帮助设计者了解系统的工作状态,发现并解决潜在问题。
在测试过程中,还需要进行系统的调试,即通过修改和优化软件代码和硬件连接,使系统达到最佳的性能。
5.系统部署与运行在系统测试和调试完成后,可以进行系统的部署和运行。
部署包括将系统安装到预定的位置,并进行有关的设置和配置。
运行阶段,系统将开始工作并实现所需的功能。
在运行过程中,需要进行系统的监控和维护,确保系统的稳定运行。
总结:微型计算机控制系统的设计是一个复杂而综合的工程,需要深入理解系统需求、硬件设计和软件设计。
通过系统的需求分析和概念设计,确定设计方向和目标。
在硬件设计阶段,选择合适的硬件组件并进行连接与供电设计。
软件设计阶段,开发控制算法,设计用户界面和编写代码。
计算机控制系统可靠性设计班级:机制1202班姓名:杨鹤青学号:U201210570摘随着计算机控制系统广泛、深入地渗透到人们的生活中,因其可靠性题要:而潜在的巨大危害日益凸显。
因此,设计具有高可靠性能的计算机控制系统成为必然。
目前,针对复杂环境中计算机控制系统的可靠性研究设计已经获得了某些研究成果,且其具有广泛的应用前景。
本文就提高计算机控制系统可靠性理论进行了分析,阐述了一些通用的可靠性设计方法。
关键词:计算机控制系统;高可靠性;系统设计1 研究背景和意义地球上第一台由多达一万八千只电子管构成的电子计算机ENIAC,因其可靠性不能满足实际应用的需要,应用不是很广泛。
然而,随着半导体技术的突飞猛进,计算机很快在银行存取款、座位预定、交通管制、生产及库存管理、医疗设备、通讯以及军事武器的应用等方面得到广泛应用。
在现阶段,伴随着互联网应用的普及的及控制技术发展的进步,人类已经进入新的物联网时代。
由此必然使计算机控制系统的应用更加深入的渗透到人们生活的各个领域,给我们的生活带来革命性的变化使人们生活更加舒适。
在物联网时代计算机控制系统已经深入的渗透到人们的生活中,例如:可以通过计算机控制系统实现如交通管理、远程视频监控、远程医疗等等。
目前, 计算机控制系统在人们的生产活动、经济活动和社会活动中已无处不在。
在人们在享受到了计算机控制系统给我们带来的快捷舒适的同时也最大程度的整合了社会资源节约了人力财力,从而有效节约了成本。
因而,计算机控制系统的普及应用已成为社会发展的必然趋势。
在享受到计算机控制系统的普及应用所带来的巨大进步的同时也面临着由此带来的新挑战,即计算机控制系统的不可靠。
由于计算机控制系统的不可靠性所带来的危害使其潜在巨大威胁,由此带来的担忧是正常的。
例如:在被国际航天界称为“黑色96 ”的1996 年,俄罗斯质子号火箭、美国哥伦比亚航天飞机、法国阿里安火箭均在发射中遭到重创。
2008年6 月22 日(星期三)当地时间下午5:08 ,位于瑞士中部的连接瑞士东北部楚格州的罗特克罗伊茨和乌里州的阿姆施泰格之间的输电网发生短路,并造成连锁反应,使整个铁路网供电失衡。
由此可见,由于计算机控制系统的不可靠而带来的灾难是十分巨大的。
因此,设计具有高可靠性的计算机控制系统是计算机控制系统设计的必然趋势。
2 当前研究现状在容错理论的研究上,冯.诺伊曼早在20世纪50年代中期,在其文章《概率逻辑及用不可靠元件设计可靠的结构》中曾对容错技术中关于复合容错方案进行了论述。
他用概率论证可以用不太可靠的器件组成一个可靠的具有相同功能的组件,同期又出现了莫尔一香农冗余方法,这些研究奠定了容错系统理论的基础。
此后,世界上第一台容错计算机SAPOS捷克斯洛伐克建造成功。
伴随着故障诊断和自动恢复机制的发展,出现了很有效的测试组合电路算法,其中最著名的是D算法。
此时开始采用微程序设计,一般采用徽码进行诊断程序设计,对内部逻辑可进行更有效的测试和诊断。
目前在硬件冗余设计,及其隔离、故障定位等方面均有了一定的发展。
在容错计算机系统方面出现了许多有重要意义的研究性系统和实用系统。
在NASA 的支持下,美国斯坦福研究所(SRD)和麻省理工学院的Draper 实验室,按同样的技术条件,分别开发了非常先进的研究性机器:FTM[容错多处理器和SIFT(软件实现容错)。
目前伴随着VLSI 技术的发展,使计算机硬件成本大大降低这就使得商用容错计算机系统应运而生,容错计算机从军事航天等部门,逐步扩大到工业控制、实时系统和联机事务处理(主要是银行、交通部门)等领域。
在新型计算机结构中采用硬件冗余越来越容易,未来容错技术将成为新一代计算机的特征。
关于冗余容错的应用研究主要集中于容错的VLSI 技术、基于人工智能的容错计算机故障随机诊断专家系统、基于神经网络容错技术。
当前的主处理器一般采用的都是通用处理器,和通用处理器相关的容错技术研究已经比较成熟,从软件到硬件都已经有了很多理论与应用。
主处理器和可重构逻辑器件间根本上就是彼此间互相通信的问题,也已经有了很多成熟的技术。
因此,当前在可重构系统的容错研究中,最关键的就是研究可重构逻辑器件的容错技术。
然而,当前最佳冗余容错方案是尽量走硬件冗余和软件冗余相结合的道路。
硬件冗余时间开 销小,技术相对成熟;软件冗余较硬件冗余更灵活,且具有动态特性。
然而, 在计算机控制系统的研究领域系统级的研究还比较少,只是少量理论基于控制 系统中某个单元模块的研究。
3计算机控制系统可靠性的主要影响因素与应对策略3.1计算机控制系统可靠性分析0K----- 均无故障时间1 MTTF)-图 3.1 MTTF 、MTTR MTBF 关系参照图3.1,为精确描述计算机控制系统的可靠性,采用如下参数进行分析:平均无故障时间 MTF(Mea n Time To Failure)指系统发生故障前运行的平 均时间,表征系统可靠性(Readability );平均修复时间 MTTR(MeariTime To Repair)指用于修复系统和在修复后将它恢复到正常工作状态所用的平均时间, 表征系统可维护性(Main tai nability );平均故障间隔时间 MTBF(Mea n Time Betwee n Failure)指两次故障时间间隔的平均时间。
实践表明,在一个系统的整个寿命周期中,系统的失效率随时间的变化规 律可以用著名的浴盆曲线来描述,如图 3.2所示。
0K 正常运行故障(发生错试)图3.2 浴盆曲线在图3.2中是描述的系统故障出现的概率 入(t )与系统运行时间t 之间的 关系。
如图所示,系统的寿命周期可以分为三个阶段:第一阶段是早期故障期 “ 1”,通常又称为调试期。
随着调试的进行,早期故障不断排除,接着进入第 二阶段随机故障期“ 2”,这一时期是正常工作的时期,系统的失效率不随时间 的变化而变化。
随着系统运行时间的越来越长,失效率不断增大,系统进入耗 损故障期“ 3”,此时系统同出现故障的概率会随着时间的延长有明显的增长。
计算机控制系统中随机故障期可以看做是实际使用期,该阶段是系统可靠 性建模和分析最值得关注的。
前人经验证明该阶段的失效率大多数满足如下关 系:R(t)二 応由上式可见,系统的可靠度函数服从指数分布规律,这是系统可靠性建模 和分析中很重要的一个特性。
功能的时效性是指系统功能满足要求,并且其实时性能也在可以接受的范 围内。
计算机控制系统一旦某功能模块失常,可能造成无法挽救的灾难性后果。
因此,要求做到确保计算机控制系统具有高可靠性。
即使出现故障,也应有多 种手段在短期内对数据处理并进行故障恢复, 保证计算机控制系统的正常运行。
对于计算机控制系统而言,可用性主要是指系统的稳定性和功能的时效性 等。
稳定性指供用户使用的计算机控制系统能够提供持续不间断服务的能力, 即在客户需要的任何时间都能满足客户的设计要求。
一般来说计算机控制系统 出现偶尔的故障是不可避免的。
这种故障可能来自工作环境的干扰、自然灾害、 人工操作失误等,也有可能由于操作系统、应用程序等软件故障,因而稳定性 指标具体就是当设备发生故障时用户在合理的时间内将其重新恢复运行的能力。
定义系统的可用性(Availability) 为一个系统可以为用户所正常使用时间 的百分比,即正常运行时间的百分比,见下式:从可用性的定义可以看出,提高系统的可性,即提高系统可用性的方法有 两类:增加MTTF 或减少MTTR 增加MTTF 要求提高系统的稳定靠性好;减小MTTR 即力求故障恢复时间缩短。
例如,采用多控制器或计算机的集群结构可 实现通过减少系统的MTTR 来提高可用性。
3.2 提高系统各单元的 MTBF 根据可靠性设计的有关理论,单元越简单,可靠可用性=MTTF MTTF MTTR性就越高。
因此,计算机控制系统最好设计成集散控制系统,即将整个系统分解为多个独立单元,在不影响系统性能的前提下将每一单元都设计成简单的模块,可有效保障系统的可靠性。
如此可以满足在系统运行过程中不会出现由于其中一个单元的异常导致整个系统不能正常工作。
与此同时,将系统整体设计为非集成的单元有利于实现非集中的控制和独立的供电以及将系统负荷和干扰分散处理。
显然该方法可以有效的减小外部干扰对系统的影响并且有利于系统调试,由此可以有效的减小系统出现故障后的修复时间,显著提高系统正常工作时的可靠性。
设计案例:在当前电梯通讯控制系统中,BITBUS 总线常常被用在实际的方案中。
其通过RS-485 总线实现通讯。
然而,由于在该系统实际运行中,当某个控制节点出现异常时将会导致整个系统不能正常工作。
为此,在实际方案设计中考虑对其进行改进,选用具有多主结构的CANBUS总线来克服上述缺点。
在改进方案中,系统中各节点工作不分主从,任何时刻任意节点之间可以互相发送信息,由此可以构成互相冗余的系统。
在CAN 总线的通讯过程中,设置信息校验(CRC校验等)用于保证系统通讯系统的可靠性。
同时当有严重异常发生时,故障节点可以及时自动关闭其余系统总线间的通讯,从而保证了整个电梯控制系统的可靠性。
显然利用CANBUS总线取代BITBUS总线可以很容易的构成“集中管理、分散控制”的复杂的计算机控制系统。
可以预见在不远的将来,CANBUS各逐渐取代BITBUS,成为电梯串行通讯系统中的主流产品,并且将以其显著增强的可靠性优势占领市场。
3.3降低各单元的MTTR为有效降低系统各单元的NTTR,在计算机控制系统中采用模块化设计,使系统中各个模块具有单一的功能。
如此以来,当故障出现时可以迅速定位,进行及时维护,从而可以有效缩短系统的MTTR有效的提高系统可正常使用的时间,使系统可靠性提高。
同时,还可通过将系统设计成具有在线诊断故障功能的方法,采用硬件自诊断技术与故障部件的自动隔离、自动恢复和热插拨技术相结合。
在系统运行过程中出现异常后,硬件自诊断机和测试机能检到出错故障,并进行快速的故障处理。
若不能使系统恢复正常工作,则迅速报警。
该设计方案很显然可以有效降低系统的MTTR从而使系统可靠性得以显著提高。
3.4 提高系统自身可靠性一元件可靠性。
设计具有高可靠性的计算机控制系统,必须从源头抓起。
因为,只有系统内各个元器件都具有较高的可靠性才有可能保证整个系统的可靠性。
在元器件选型时,既要关注主要器件的精度要求和价格,同时还要密切关心元器件的正常工作环境条件是否满足设计方案总体要求。
为此采购元件前,要对厂家的产品质量有深入的了解,厂家的信誉度要高。
同时,要对元器件的性能做实验加以检验,在同一系统的设计中尽量参考以前的成熟方案;在同一系统中尽量使用同一厂家的同一型号的元器件。
在元器件选型时要努力做到以下几点:进口元器件虽然整体质量较高,但是,进口渠道和质量等级难以控制,特别是高等级电路还受到美国的禁运。