计算机控制系统 可靠性设计
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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
16
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 。
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
如果一个系统在出现一定的运行性故障时， 依靠系统冗余硬件的内驻能力，仍能保持系统 连续正确地执行其程序和输入、输出功能，则 称这一系统为硬件故障冗余系统。
✓ 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
Hale Waihona Puke Baidu
可靠性与不可靠性
✓ 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
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
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
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
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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
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
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。
12
2. 硬件故障冗余系统及其可靠性
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
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
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
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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 。
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
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如果一个系统在出现一定的运行性故障时， 依靠系统冗余硬件的内驻能力，仍能保持系统 连续正确地执行其程序和输入、输出功能，则 称这一系统为硬件故障冗余系统。
✓ 并联系统 ✓ 表决系统 ✓ 备用系统
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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
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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
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Hale Waihona Puke Baidu
可靠性与不可靠性
✓ 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
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
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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
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10.4 信号传输通道的抗干扰措施
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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
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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
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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
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2. 故障诊断方法
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
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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
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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
R(t)dt
etdt 1/
0
0
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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。
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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
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
Q(t) F(t) / N
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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