企业级编程与控制理论

《企业级编程与控制理论》的主题是关于反馈控制技术的，但是没有多少编程人员（包括其他有关人员）了解这方面的知识。这是很遗憾的，因为反馈控制技术的产生是为了解决软件工程师们很熟悉的问题，特别是与企业系统打交道的工程师们需要了解。反馈控制是一种技术，旨在确保大型复杂系统能够稳定地运行，甚至在有外部干扰的情况下也不会受到影响，确保有效地使用有限的资源。 如果你正在寻找这样一种系统：当数据中心的数据流量出现大的跳跃时，需要增加服务器的数量，而在这个突发事件过去之后需要减少服务器的数量，那么《企业级编程与控制理论》将为你提供很好的解决方案。

《企业级编程与控制理论》包含四个部分和一个附录。第Ⅰ部分“基础篇”讲述了为什么需要反馈控制，反馈系统和企业级编程的关系，系统的动态特性，控制器，识别输入输出信号灯。第Ⅱ部分“实践篇”回顾了理论，介绍了测量传递韩澍，PID控制调整，实现以及通用的反馈架构。第Ⅲ部分“案例研究篇”包含控制系统模拟、高速缓存命中率、广告推送、扩展服务器、队列控制、冷却风扇速度、控制游戏引擎的内存消耗等内容。第Ⅳ部分再次回到理论，帮助读者建立实践与理论的联系，掌握控制理论在企业级编程中的实际应用。 《企业级编程与控制理论》适合具有一定编程基础并关注性能提升的读者阅读。

作者简介 菲利普·K. 雅内特（Philipp K.Janert）在德国出生长大。 他在1997年获得了华盛顿大学理论物理专业的博士学位，之后就一直从事技术行业方面的工作，其中包括在亚马逊公司工作了4年，在那里他发起并领导了几个项目，改善亚马逊的订单执行流程。 他写过两本有关数据分析的书籍，包括2010年在O’Reilly出版发行的畅销书《数据之魅：基于开源工具》（Data Analysis with Open Source Tools）。 他为CPAN做出了贡献，也是gnuplot项目的贡献者。 译者简介 方敏 方敏先生曾经在美国微软公司工作25年，退休前为资深软件架构师。他对许多微软产品和服务的技术开发和测试做出了重要贡献，包括Bing搜索、Cortana、中国创新项目、Windows、Windows 服务器、Exchange 服务器、SQL服务器、COM+服务、MSN和IT等。他具有20年的工程技术团队和项目的管理经验，熟悉软件敏捷开发和经典的软件管理，注重发挥团队的优势和创新，不断地追求用户满意程度，提高产品质量和效率。方敏先生是早期微软美国华人协会的创始人之一，该协会已有几千名会员。他长期热衷于华人协会的活动和帮助员工成长，是美国西雅图地区有名的职场发展专家。 赴美之前，他在中国航天部部直计算中心从事过微机开发工作。在北京清华大学获得电子工程学士和硕士学位，在美国新墨西哥州矿业技术学院获得计算机硕士学位。 方敏先生与清华大学出版社合作多年，他组织微软员工利用业余时间将多本英文软件技术书籍翻译成中文出版，包括《敏捷文化》《Windows 程序设计》《HTML5从入门到精通》《探索性软件测试》《Gamestorming》和《软件需求与可视化模型》等。方敏先生希望继续把国外有突出价值的科技管理书籍介绍给中国读者。 朱嵘 朱嵘女士曾经在美国的英国航空电子系统公司（British Airspace Electronics Systems）担任飞行实时控制计算机的质量工程师，负责空客A320、空客A340、波音737和波音747等机型的关键质量分析和故障维修。出国前在中国航天部二院担任工程师，负责红七地对空导弹的通信系统的研制和开发。朱嵘女士在哈尔滨工业大学获得了无线电工程系信息工程专业的学士学位。曾经与方敏先生合作为清华大学出版社翻译出版了《软件需求与可视化模型》一书。

第Ⅰ部分 基础篇 第1章 为什么需要反馈 3 实际的例子 4 希望优选的情况 5 建立控制 7 累加偏差 7 小结 8 模拟程序 9 第2章 反馈系统 13 系统和信号 14 跟踪误差和矫正行动 15 稳定性、性能和准确性 16 设定值 18 不确定性和变化 19 反馈和前馈 19 反馈和企业系统 20 模拟代码 20 第3章 系统动态特性 23 滞后和延迟 23 强制反应和自然反应 25 瞬时响应和稳态响应 25 物理世界和虚拟世界的动态特性 26 动态特性和记忆 27 反馈循环的滞后和延迟的重要性 28 避免延迟 29 理论和实践 30 模拟代码 30 第4章 控制器 33 方框图 34 开关控制 34 比例控制 35 为什么比例控制还不够 35 积分控制 36 积分控制改变动态特性 37 积分控制可以产生恒定的偏移量 37 微分控制 38 微分控制的问题 39 三项PID控制器 39 模拟代码 40 第5章 识别输入输出信号 41 控制的输入和输出 41 输入/输出关系的方向性 42 例子 43 热控制1：加热 43 高速缓存 45 服务器扩展 46 通过动态标价控制供需关系 48 热控制2：冷却 50 选择控制信号的标准 51 用于控制输入 51 用于控制输出 51 关于多维系统的注释 52 第6章 回顾和展望 55 反馈概念 55 迭代 55 过程知识 55 避免不稳定性 56 设定值 56 控制，不是很优化 56 第Ⅱ部分 实践篇 第7章 理论预习 59 频率表示 59 传递函数 59 方框图代数 60 PID控制器 60 传递函数的极点 61 过程模型 62 第8章 测量传递函数 63 静态输入/输出关系：过程特征 63 实际考虑 64 阶梯输入的动态反应：过程反应曲线 65 实践方面 66 过程模型 66 自我调节过程 67 累积过程 68 带有振荡的自我调节过程 70 非最小相位系统 71 系统识别的其他方法 72 第9章 PID 控制调整 73 调整的目的 73 控制器参数变化的一般影响 75 齐格勒·尼科尔斯调整方法 76 半分析调整方法 77 实践方面 78 仔细研究控制器调整公式 79 第10章 实现问题 81 执行器饱和与积分器暂停 81 防止积分器暂停 82 设定值变化和积分器预加载 82 平滑微分项影响 83 选择抽样间隔 83 PID控制器的替代形式 84 增量形式 85 误差反馈与输出反馈 85 通用线性数字控制器 86 非线性控制器 87 误差平方和间隙控制器 87 模拟浮点输出 88 分类输出 88 第11章 通用反馈架构 91 改变运行条件：增益调度 92 轻度非线性系统的增益调度 93 强干扰：前馈 93 快-慢动态特性：嵌套或“级联”控制 94 具有延迟的系统：史密斯预报器 95 第Ⅲ部分 案例研究篇 第12章 通过模拟探索控制系统 99 案例研究 99 建模时间 100 控制时间 101 模拟时间 101 模拟框架 102 组件 103 对象和系统 103 控制器 103 执行器和过滤器 105 标准循环的便利函数 106 产生图形输出 108 第13章 案例研究：高速缓存命中率 109 定义组件 109 制造缺陷引起的缓存失效 111 测量系统特性 112 控制器调整 114 模拟代码 116 第14章 案例研究：广告推送 121 场景 121 测量系统特性 122 建立控制 123 改进性能 124 类型变换 127 累计目标 127 增益时间调度 128 积分器的预加载 128 周末效应 128 模拟代码 128 第15章 案例研究：扩展服务器 131 场景 131 测量和调节 132 用非标准控制器达到100% 133 处理延迟 136 模拟代码 137 第16章 案例研究：等待队列的控制 141 队列和缓存的机理 141 结构 142 设置和调整 142 救援情况的微分控制 145 控制器替代方案 146 模拟代码 147 第17章 案例研究：冷却风扇速度 149 场景 149 模型 149 调整和服役 151 封闭回路性能 152 模拟代码 153 第18章 案例研究：控制游戏引擎内存消耗 157 场景 157 问题分析 158 架构选择 159 非传统循环结构 159 具有对数的传统循环 159 结果 161 模拟代码 162 第19章 案例研究的总结 165 简单的控制器，简单的循环 165 测量和调整 165 保持控制 166 处理噪音 166 第Ⅳ部分 理论篇 第20章 传递函数 171 微分方程 171 拉普拉斯变换 171 拉普拉斯变换的属性 173 用拉普拉斯变换解微分方程 174 工作的例子 174 传递函数 175 工作的例子：阶梯响应 176 工作的例子：斜坡输入 177 谐波振荡器 177 如果不知道微分方程？ 178 第21章 方框图代数和反馈公式 179 组合系统 179 反馈方程 180 反馈方程的另一种推导 182 方框图代数 182 传递函数方法的和重要性 183 第22章 PID 控制器 185 PID控制器的传递函数 185 PID控制器的典型形式 186 通用控制器 186 重新审视比例控制的稳定偏差 187 工作的例子 188 第23章 极点和零点 189 传递函数的结构 189 极点和零点的影响 190 特殊情况和其他细节 191 极点位置和响应模型 193 主导极点 193 极点的配置 195 如何处理延迟 195 第24章 根轨迹技术 197 造根轨迹图 197 根轨迹或埃文斯规则 198 角度和幅度标准 200 实际问题 201 例子 201 P控制器的简单滞后 202 PI控制器的简单滞后 203 第25章 频率响应和波特图 207 频率响应 207 物理世界中的频率响应 207 传递函数的频率响应 208 工作的例子 209 波特图 210 边缘稳定性标准 212 其他图形技术 213 第26章 本书主题拓展 215 离散时间建模和z变换 215 状态-空间方法 216 稳健控制 218 优化控制 219 数学控制理论 220 附 录 附录A 词汇表 223 附录B 用Gnuplot绘制图形 233 附录C 复数 237 附录D 深入阅读 241

    第2章 反馈系统 在前一章中使用的方法是基于反馈原理，它的基本概念可以简单地描述如下： 反馈原理：持续地将实际输出和它的期望参照值进行比较，然后对系统输入进行调整，以减少实际输出和参照值之间的偏差。 换句话说，如果输出值高于参照值，就对输入进行矫正以引导输出降低；如果输出值低于参照值，就对输入进行矫正以提高输出值。 反馈概念的基本思路是“把系统输出引导回来”，用它来计算输入值，这就产生了通用的反馈或闭环式结构（图2-1）。和它相对应的是前馈或者开环式结构（图2-2），开环结构不考虑系统的输出。 图2-1 反馈环路的结构：系统的输出被返回与参照值做比较，以便计算出系统新的输入 图2-2 开环式（或前馈式）布局的结构：系统输入直接从参照值计算得到而不考虑系统输出 反馈是在前一个输出的基础上计算下一个输入值，这表明反馈是一种叠加的解决方案。每一个控制行动仅仅是为了使系统更加接近期望值，使它向正确的方向更迈近一步。我们不去接近消除参照值和输出值之间的差距，而是重复执行少量减少偏差的步骤，逐渐缩小偏差。 在讨论任何迭代方案时，自然会提出三个问题。 迭代会收敛吗？（或者 迭代会发散吗？） 它能多快收敛？（如果它一定会收敛） 它会收敛到什么值？（它会收敛到所期望的解决方案还是不同的结果？） 系统和信号 在这本书里，我们将考虑服务于各种目标的不同系统。这些系统所具有的共同特点是，所有系统都依赖于结构或者调节参数，以影响系统的行为。要想得到行为的信息，我们需要跟踪和观察不同的监视指标。在大多数情况下，希望系统能够满足或者超过事先定义的服务质量指标。因而，控制问题就是调节一组设置参数，以便被监视的指标落在服务质量范围之内。 只要考虑控制问题，配置参数就是我们可以直接影响和操纵的变量，有的时候这些变量被称为操作变量或者简单称为（控制）输入。被监视的指标是我们想要影响的变量，有时称为“过程变量”或者“控制输出”，把输入和输出放在一起就构成了控制信号。 术语“输入”和“输出”分别对应于被操作和被跟踪的数量，它们非常简便，我们将会经常使用。但是请记住，这些术语的目的只是与控制问题有关，和系统的功能“输入”和“输出”没有任何关系。如果一旦发现定义不清楚，请在“输入”和“输出”的位置上分别使用“可配置参数”和“跟踪指标”。 大部分情况下，我们只考虑一个控制输入和一个控制输出的系统，所以只有一个单独的可设置的参数，它可以用来影响单一的跟踪指标。虽然这看上去好像是特别的情况，但是它包括了很多种类的系统。（处理具有多个输入或输出的系统在原理上讲也是可能的，但是它会带来严重的实际问题。） 我们从企业编程和软件工程资料里，选出一些系统和它们的输入及输出，列举如下。