计算机控制系统的可靠性

第七章 计算机控制系统的可靠性
本章主要内容 第一节 第二节 第三节 可靠性的概念 系统可靠性分析 提高系统可靠性措施
Computer Controlled Systems
第一节 可靠性的概念
一、什么是可靠性？
Computer Controlled Systems
是一个定性的概念，可靠性越高越高。 定义：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定 功能的能力。 （1）产品：元件、器件、部件、仪器设备或系统 （2）规定条件：环境条件、使用条件等 （3）规定时间：抽样测试产品的时间域 （4）规定功能：产品的性能指标 （5）能力：在规定的条件和规定的时间内，完成规定 功能。
第二节 系统的可靠性分析
二、串联系统可靠性分析 可靠度：所用串联单元可靠度的乘积。
( i ) t
i 1 n
Computer Controlled Systems
Rc ( t ) Ri ( t ) e
i 1 i 1
n
n
i t
e
平均无故障时间： MTBFc
0
第三节 提高系统可靠性的措施
Computer Controlled Systems
容错技术：在容忍和承认错误的前提下，考虑如何消 除、抑制和减少错误影响的综合性技术。 容错技术是解决系统如何带病工作的问题。容错 技术得到了人们的普遍重视，是提高可靠性的重要措施。 容错技术的根本就是采用冗余设计技术。
第二节 系统的可靠性分析
Computer Controlled Systems
注：系统可靠性逻辑图，只反映系统中各单元在可靠性 方面的逻辑关系，与各单元的物理连接无关。
第二节 系统的可靠性分析
二、串联系tems
一个计算机控制系统是由多个子系统构成的复杂系 统，各子系统又由多个功能模件（块）组成，每个模件 （块）有若干个元器件构成，因此在分析系统可靠性时， 必须从功能模件的可靠性入手，每个模件无论物理连接如 何，只要有一个元器件失效则整个模件都将失效。 例如： ①一个I/O模件即可看成由若干个元器件构成的串联系 统。 ②一个锅炉汽包压力单回路PID控制回路可看成是由多 个单元构成的串联系统。
Rc (t ) (1 (1 Rij (t )))
j 1 i 1
n
N
MTBFc Rc (t )dt
0

第二节 系统的可靠性分析
五、备份系统可靠性分析
Computer Controlled Systems
1、冷备份系统 是一种冗余系统，其中一个单元工作，另外一个或 多个单元不工作，作为工作系统的后备，一旦工作单元 失效，后备系统立即投入工作，保证系统正常工作。 考虑两个独立单元组成的冷备份系统，设失效率均为 λ，则整个系统
MTBF
2

如：两路电源供电，一路运行，一路备用。
第二节 系统的可靠性分析
Computer Controlled Systems
2、热备份系统 处于待机状态，接收系统中全部信息，但不参与控 制，一旦工作单元故障，可及时进行切换。典型的例子： 双CPU运行。
热备份系统：正常时，备用单元部分运行； 冷备份系统：正常时，备用单元完全不运行； 并联系统：正常时，并联的单元同样运行。
第一节 可靠性的概念
t时刻的失效率λ(t)为：
Computer Controlled Systems
N0 [ R(t ) R(t t )] / t R(t ) R(t t ) lim (t ) lim t 0 t 0 N0 R(t ) R(t ) t 1 dR(t ) 1 (t ) (t )dt dR(t ) R(t ) dt R(t )
(t )dt ln R(t )
0
t
R (t ) 1
ln R(t ) R(t ) e
t 0 (t ) dt
上式即为可靠度和失效率的关系，对于电子产品，一 般给出的是产品失效率。 注意：当λ(t)=λ常数时，则
R (t ) e
t
第一节 可靠性的概念
(2) 电子产品的失效率曲线
举例：不同型号的计算机、灯泡等，注意测试的产品是一批样本， 而不是一个。
第一节 可靠性的概念
二、可靠性指标
Computer Controlled Systems
可靠性的量化评价。 1、可靠度R(t) 定义：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定 功能的概率。
例子： 产品：灯泡N0个（样本） 规定条件：220VAC 规定时间：5h/天 规定功能：正常发光 概率：2年损坏20%，4年损坏40%，6年损坏80%。。。（注 意：这个概率是损坏的概率，不是可靠度）
第一节 可靠性的概念
Computer Controlled Systems
对于一个产品而言，可靠度越高越好。 注意： (1) 可靠度R(t)与时间有关，含义是运行时间t不发生 故障的概率； (2) R(t)是一个无量纲数，且 0 R (t ) 1 2、失效率λ(t) (1) 定义：产品运行到t时刻，单位时间内出现故障的 产品数与t时刻完好产品数之比。 总品数： N 0 完好产品数： N 0 R(t ) 单位时间内故障产品数：N 0 [ R(t ) R(t t )] / t
1
1
1
第二节 系统的可靠性分析
四、串并联系统可靠性分析
Computer Controlled Systems
Rc (t) 1 (1 Rij (t)) MTBFc 0 Rc (t )dt
i1 j 1
N
n

第二节 系统的可靠性分析
四、并串联系统可靠性分析
Computer Controlled Systems
Computer Controlled Systems
§3.2 提高系统软件可靠性的措施
Computer Controlled Systems
4）软件容错技术 （1）恢复块法（动态冗余） 定义：实现同一功能的程序块有多个，这些程序 块称作恢复快，工作时一个运行，其余备用（冷备或 热备）。 相当于一个备份系统。 （2）N文本法（静态冗余） 定义：实现同一功能的程序块有多个，这些程序 块同时运行，通过判断选择一个输出。 软件容错核心技术：差异设计 差异设计：实现同一功能的软件采用不同的算法、 有不同的程序员、甚至不同的语言实现。
Computer Controlled Systems
早期失效期：产品出厂前需要测试，发现产品缺陷，排除故障。 偶然失效期：产品投入使用后，失效率基本为一常数。 耗损失效期：产品到了使用年限，需要更换。 因此：使用中的电子产品，可认为失效率为一常数。
第一节 可靠性的概念
3、平均无故障时间（MTBF） 指的是系统连续两次故障之间的平均时间间隔。按 照可靠度定义，根据统计学原理，MTBF可表示如下：
i 1
n
平均无故障时间： MTBFc
0

Rc (t )dt
例：两个单元并联，失效率分别为λ1和λ2，计算MTBF。
R2 1 (1 e
1t
)(1 e
2t
)e
1t
e
2t
e
( 1 2 )t
MTBF2

0
1 Rc (t )dt 1 2 1 2
第二节 系统的可靠性分析
设单元待机状态失效率为，工作状态失效率为λ，显 然< λ。则由两种单元构成的热备份系统的平均无故 障工作时间MTBF为：
Computer Controlled Systems
M TBF
0

R (t ) d t
0

[1

2
i 1
(1 R i ( t )) ] d t

Rc (t )dt （定义）
设 i
i 1
n
则 MTBFc
1
i
i 1
n

1

第二节 系统的可靠性分析
三、并联系统可靠性分析 从理论上来讲，并联的单元越多，可靠性越高。 可靠度：Rc (t ) 1
Computer Controlled Systems
(1 Ri (t ))
Computer Controlled Systems
MTBF R(t )dt
0

系统的可靠性指标通常用MTBF表示。 根据可靠度和失效率之间的关系： R(t ) e t
MTBF e dt
t 0

1


e
t 0

1

第一节 可靠性的概念
4、平均修复时间（MTTR） 指的是修复系统故障所用的平均时间。
Computer Controlled Systems
MTTR MTBF
5、利用率
MTBF A MTBF MTTR
对于计算机控制系统A=99.98-99.99%
第二节 系统的可靠性分析
一、可靠性逻辑图
Computer Controlled Systems
1、串联系统 系统中任何一个单元失效，都会导致整个系统失效， 只有当系统中所有单元全部正常工作时，系统才能正常工 作。 2、并联系统 系统中多个单元完成同一功能，其中只要有一个单元 尚能正常工作，则整个系统即可正常工作。
0
1

[ e t e t e ( ) t ]d t 1
1
① 当＝0时，MTBF=2/λ，相当于冷备份系统 ② 当＝λ时， MTBF=1/λ(1＋1/2)=3/(2λ)，相当 于并联系统。
第二节 系统的可靠性分析
六、练习
Computer Controlled Systems