内容简介

《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。

前言

这本书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，因为反馈控制技术最初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，那么这本书将为你提供很好的解决方案。

什么是反馈？

反馈的原理是不断地对系统的实际行为与期望行为进行比较，如果实际行为不同于期望的行为，就需要采取纠正措施来减少偏差，将系统带回到理想状态。只要该系统还在运行，反馈过程就会不断地重复下去。

反馈控制一个很有用的功能就是不需要对被控制的系统有太多的了解。当系统出现偏差时，只要我们知道哪个方向可以调回系统，就可以建立一个反馈循环。因此，反馈是一种控制大型的、复杂的、不透明系统的最有效的技术。

另外，反馈系统具有自我调节的功能，甚至有外部干扰出现时也不受影响。由于系统的行为总是处于监视和调整中，所以，反馈系统会自动对操作状态中出现的变化进行响应。所以，当流量拥挤时，系统不需要设置专门的设施来激活额外的服务器：反馈控制器会通知负荷增加，并且增加服务器的数量直到满足所需的服务质量要求。同样，一旦流量峰值过后，控制器会根据负荷减少程度，相应地再次减少服务器的数量。

但是我们也要小心，因为太大的控制调整或者在时机不当的调整，都会造成“过量”的控制干扰。这样的控制非但不能减少期望行为和实际行为之间的偏差，反而造成以相反方向的偏差来代替现有方向的偏差。在最坏的情况下，这些偏差的幅度会逐步增长，直到系统出现错误，甚至崩溃！

为了避免出现这样的后果，控制理论制定出一种专门的实验来分析系统的行为。从这些实验中得到的结果可以用于设计和调整循环控制，使得这些循环操作更安全，同时将准确稳定地跟踪参考值。

为什么写这本书?

反馈控制在电子学、工业流程和车辆工程领域的应用有很长的成功历史，但它的应用不限于此。反馈是自我调节的，所以即使条件意外改变，它也能够保证系统运作正常。反馈只要求对受控流程有个基本的了解，因此它可以应用在复杂和不透明的系统状况下，例如企业环境下的那些典型系统。

在这本书里，我们将研究如何把反馈原理应用到几个软件工程问题上，例如，高速缓存的最佳容量、服务器群的管理、等待队列或高速缓存的控制等。所有这些例子都向我们展示了一点，在不断变化的条件下，反馈可以帮助我们有效地使用稀缺或昂贵的资源。

然而，把反馈原理应用到计算机系统会遇到与传统应用领域不同的问题。描述计算机系统行为的规则比起现实世界系统的规则限制要少得多，所以我们会更多依赖于实际测量和现象学描述，而较少地依赖于理论分析（你会发现工业流程应用反馈方法时有着相似的情况）。同时比起物理组件来，计算机系统提供了大量控制信号，我们有更大的自由度选择最佳控制信号，当然必须了解有关的限制和折中。我们将特别关注这些问题。

由于在软件系统设计理念中很少有人讨论反馈控制，我希望人们能够意识到，反馈控制在这个方面会有很多的潜力，事实上，软件工程师通常遇到的许多问题，都可以在反馈控制上找到正确的解决方案。

如何阅读这本书？

外行人学习反馈相关理论可能会有些困难。教科书和科技文章使用了专门的术语和从现有应用领域选出的例子，这些内容有的时候掩盖了基本的概念。出现在典型反馈应用领域的问题不一定是编程人员最感兴趣的问题。同时也应该知道，许多有关反馈控制的教科书最关心底层控制理论的数学推演，而很少关注概念开发或具体实现。

这本书采用了不同的方法。理论研究可能很重要，很精彩，但不是本书的重点，我已经把这部分内容放在本书后面的第Ⅴ部分中。第Ⅰ部分简单介绍了反馈控制、系统动态和控制器设计。第Ⅱ部分描述了实现和调节控制器的大量实用技术，同时讨论了一些反馈循环“设计模型”的例子。第Ⅲ部分搜集了一组典型案例的研究，来介绍如何使用反馈方法解决计算机系统的专门问题。在每一个案例分析中，详细讨论了许多不同的方法及其折中方案。

案例研究是这本书的重头戏。我建议从第Ⅰ部分开始阅读，熟悉基本的反馈概念。然后看一下案例研究，如果需要其他的信息可以跳到第Ⅱ部分（实践篇）和第Ⅳ部分（理论篇），案例研究的顺序大体上是按照复杂度的增加来排列的。

所有案例研究都实现了计算机模拟，在这本书的互联网站上可以找到这些程序。这些程序有意写得简单和直接，以便可以容易地扩展和修改程序。动手尝试模拟代码是最好的学习方法，发现闭环系统有时会出现的神奇表现，从而真正意识到这种反馈技术确实很酷！

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我们建议但不要求标明著作权。著作权通常包括标题、作者、出版商和ISBN。例如，“Feedback Control for Computer Systems by Philipp K. Janert（O’Reilly）. Copyright 2014 Philipp K. Janert, 978-1-449-36169-3”。

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目录

第Ⅰ部分  基础篇

第1章  为什么需要反馈 3

实际的例子 4

希望最好的情况 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，不是最优化 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

传递函数方法的限制和重要性 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