內容簡介

《企業級編程與控制理論》包含四個部分和一個附錄。第Ⅰ部分“基礎篇”講述了為什么需要反饋控制，反饋系統和企業級編程的關系，系統的動態特性，控制器，識別輸入輸出信號燈。第Ⅱ部分“實踐篇”回顧了理論，介紹了測量傳遞韓澍，PID控制調整，實現以及通用的反饋架構。第Ⅲ部分“案例研究篇”包含控制系統模擬、高速緩存命中率、廣告推送、擴展服務器、隊列控制、冷卻風扇速度、控制游戲引擎的內存消耗等內容。第Ⅳ部分再次回到理論，幫助讀者建立實踐與理論的聯系，掌握控制理論在企業級編程中的實際應用。

《企業級編程與控制理論》適合具有一定編程基礎并關注性能提升的讀者閱讀。

前言

這本書的主題是關于反饋控制技術的，但是沒有多少編程人員（包括其他有關人員）了解這方面的知識。這是很遺憾的，因為反饋控制技術最初的產生是為了解決軟件工程師們很熟悉的問題，特別是與企業系統打交道的工程師們需要了解。反饋控制是一種技術，旨在確保大型復雜系統能夠穩定地運行，甚至在有外部干擾的情況下也不會受到影響，確保有效地使用有限的資源。

如果你正在尋找這樣一種系統：當數據中心的數據流量出現大的跳躍時，需要增加服務器的數量，而在這個突發事件過去之后需要減少服務器的數量，那么這本書將為你提供很好的解決方案。

什么是反饋？

反饋的原理是不斷地對系統的實際行為與期望行為進行比較，如果實際行為不同于期望的行為，就需要采取糾正措施來減少偏差，將系統帶回到理想狀態。只要該系統還在運行，反饋過程就會不斷地重復下去。

反饋控制一個很有用的功能就是不需要對被控制的系統有太多的了解。當系統出現偏差時，只要我們知道哪個方向可以調回系統，就可以建立一個反饋循環。因此，反饋是一種控制大型的、復雜的、不透明系統的最有效的技術。

另外，反饋系統具有自我調節的功能，甚至有外部干擾出現時也不受影響。由于系統的行為總是處于監視和調整中，所以，反饋系統會自動對操作狀態中出現的變化進行響應。所以，當流量擁擠時，系統不需要設置專門的設施來激活額外的服務器：反饋控制器會通知負荷增加，并且增加服務器的數量直到滿足所需的服務質量要求。同樣，一旦流量峰值過后，控制器會根據負荷減少程度，相應地再次減少服務器的數量。

但是我們也要小心，因為太大的控制調整或者在時機不當的調整，都會造成“過量”的控制干擾。這樣的控制非但不能減少期望行為和實際行為之間的偏差，反而造成以相反方向的偏差來代替現有方向的偏差。在最壞的情況下，這些偏差的幅度會逐步增長，直到系統出現錯誤，甚至崩潰！

為了避免出現這樣的后果，控制理論制定出一種專門的實驗來分析系統的行為。從這些實驗中得到的結果可以用于設計和調整循環控制，使得這些循環操作更安全，同時將準確穩定地跟蹤參考值。

為什么寫這本書?

反饋控制在電子學、工業流程和車輛工程領域的應用有很長的成功歷史，但它的應用不限于此。反饋是自我調節的，所以即使條件意外改變，它也能夠保證系統運作正常。反饋只要求對受控流程有個基本的了解，因此它可以應用在復雜和不透明的系統狀況下，例如企業環境下的那些典型系統。

在這本書里，我們將研究如何把反饋原理應用到幾個軟件工程問題上，例如，高速緩存的最佳容量、服務器群的管理、等待隊列或高速緩存的控制等。所有這些例子都向我們展示了一點，在不斷變化的條件下，反饋可以幫助我們有效地使用稀缺或昂貴的資源。

然而，把反饋原理應用到計算機系統會遇到與傳統應用領域不同的問題。描述計算機系統行為的規則比起現實世界系統的規則限制要少得多，所以我們會更多依賴于實際測量和現象學描述，而較少地依賴于理論分析（你會發現工業流程應用反饋方法時有著相似的情況）。同時比起物理組件來，計算機系統提供了大量控制信號，我們有更大的自由度選擇最佳控制信號，當然必須了解有關的限制和折中。我們將特別關注這些問題。

由于在軟件系統設計理念中很少有人討論反饋控制，我希望人們能夠意識到，反饋控制在這個方面會有很多的潛力，事實上，軟件工程師通常遇到的許多問題，都可以在反饋控制上找到正確的解決方案。

如何閱讀這本書？

外行人學習反饋相關理論可能會有些困難。教科書和科技文章使用了專門的術語和從現有應用領域選出的例子，這些內容有的時候掩蓋了基本的概念。出現在典型反饋應用領域的問題不一定是編程人員最感興趣的問題。同時也應該知道，許多有關反饋控制的教科書最關心底層控制理論的數學推演，而很少關注概念開發或具體實現。

這本書采用了不同的方法。理論研究可能很重要，很精彩，但不是本書的重點，我已經把這部分內容放在本書后面的第Ⅴ部分中。第Ⅰ部分簡單介紹了反饋控制、系統動態和控制器設計。第Ⅱ部分描述了實現和調節控制器的大量實用技術，同時討論了一些反饋循環“設計模型”的例子。第Ⅲ部分搜集了一組典型案例的研究，來介紹如何使用反饋方法解決計算機系統的專門問題。在每一個案例分析中，詳細討論了許多不同的方法及其折中方案。

案例研究是這本書的重頭戲。我建議從第Ⅰ部分開始閱讀，熟悉基本的反饋概念。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（實踐篇）和第Ⅳ部分（理論篇），案例研究的順序大體上是按照復雜度的增加來排列的。

所有案例研究都實現了計算機模擬，在這本書的互聯網站上可以找到這些程序。這些程序有意寫得簡單和直接，以便可以容易地擴展和修改程序。動手嘗試模擬代碼是最好的學習方法，發現閉環系統有時會出現的神奇表現，從而真正意識到這種反饋技術確實很酷！

使用本書的約定

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我們建議但不要求標明著作權。著作權通常包括標題、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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目錄

第Ⅰ部分  基礎篇

第1章  為什么需要反饋 3

實際的例子 4

希望最好的情況 5

建立控制 7

累加偏差 7

小結 8

模擬程序 9

第2章  反饋系統 13

系統和信號 14

跟蹤誤差和矯正行動 15

穩定性、性能和準確性 16

設定值 18

不確定性和變化 19

反饋和前饋 19

反饋和企業系統 20

模擬代碼 20

第3章  系統動態特性 23

滯后和延遲 23

強制反應和自然反應 25

瞬時響應和穩態響應 25

物理世界和虛擬世界的動態特性 26

動態特性和記憶 27

反饋循環的滯后和延遲的重要性 28

避免延遲 29

理論和實踐 30

模擬代碼 30

第4章  控制器 33

方框圖 34

開關控制 34

比例控制 35

為什么比例控制還不夠 35

積分控制 36

積分控制改變動態特性 37

積分控制可以產生恒定的偏移量 37

微分控制 38

微分控制的問題 39

三項PID控制器 39

模擬代碼 40

第5章  識別輸入輸出信號 41

控制的輸入和輸出 41

輸入/輸出關系的方向性 42

例子 43

熱控制1：加熱 43

高速緩存 45

服務器擴展 46

通過動態標價控制供需關系 48

熱控制2：冷卻 50

選擇控制信號的標準 51

用于控制輸入 51

用于控制輸出 51

關于多維系統的注釋 52

第6章  回顧和展望 55

反饋概念 55

迭代 55

過程知識 55

避免不穩定性 56

設定值 56

控制，不是最優化 56

第Ⅱ部分  實踐篇

第7章  理論預習 59

頻率表示 59

傳遞函數 59

方框圖代數 60

PID控制器 60

傳遞函數的極點 61

過程模型 62

第8章  測量傳遞函數 63

靜態輸入/輸出關系：過程特征 63

實際考慮 64

階梯輸入的動態反應：過程反應曲線 65

實踐方面 66

過程模型 66

自我調節過程 67

累積過程 68

帶有振蕩的自我調節過程 70

非最小相位系統 71

系統識別的其他方法 72

第9章  PID 控制調整 73

調整的目的 73

控制器參數變化的一般影響 75

齊格勒·尼科爾斯調整方法 76

半分析調整方法 77

實踐方面 78

仔細研究控制器調整公式 79

第10章  實現問題 81

執行器飽和與積分器暫停 81

防止積分器暫停 82

設定值變化和積分器預加載 82

平滑微分項影響 83

選擇抽樣間隔 83

PID控制器的替代形式 84

增量形式 85

誤差反饋與輸出反饋 85

通用線性數字控制器 86

非線性控制器 87

誤差平方和間隙控制器 87

模擬浮點輸出 88

分類輸出 88

第11章  通用反饋架構 91

改變運行條件：增益調度 92

輕度非線性系統的增益調度 93

強干擾：前饋 93

快-慢動態特性：嵌套或“級聯”控制 94

具有延遲的系統：史密斯預報器 95

第Ⅲ部分  案例研究篇

第12章  通過模擬探索控制系統 99

案例研究 99

建模時間 100

控制時間 101

模擬時間 101

模擬框架 102

組件 103

對象和系統 103

控制器 103

執行器和過濾器 105

標準循環的便利函數 106

產生圖形輸出 108

第13章  案例研究：高速緩存命中率 109

定義組件 109

制造缺陷引起的緩存失效 111

測量系統特性 112

控制器調整 114

模擬代碼 116

第14章  案例研究：廣告推送 121

場景 121

測量系統特性 122

建立控制 123

改進性能 124

類型變換 127

累計目標 127

增益時間調度 128

積分器的預加載 128

周末效應 128

模擬代碼 128

第15章  案例研究：擴展服務器 131

場景 131

測量和調節 132

用非標準控制器達到100% 133

處理延遲 136

模擬代碼 137

第16章  案例研究：等待隊列的控制 141

隊列和緩存的機理 141

結構 142

設置和調整 142

救援情況的微分控制 145

控制器替代方案 146

模擬代碼 147

第17章  案例研究：冷卻風扇速度 149

場景 149

模型 149

調整和服役 151

封閉回路性能 152

模擬代碼 153

第18章  案例研究：控制游戲引擎內存消耗 157

場景 157

問題分析 158

架構選擇 159

非傳統循環結構 159

具有對數的傳統循環 159

結果 161

模擬代碼 162

第19章  案例研究的總結 165

簡單的控制器，簡單的循環 165

測量和調整 165

保持控制 166

處理噪音 166

第Ⅳ部分  理論篇

第20章  傳遞函數 171

微分方程 171

拉普拉斯變換 171

拉普拉斯變換的屬性 173

用拉普拉斯變換解微分方程 174

工作的例子 174

傳遞函數 175

工作的例子：階梯響應 176

工作的例子：斜坡輸入 177

諧波振蕩器 177

如果不知道微分方程？ 178

第21章  方框圖代數和反饋公式 179

組合系統 179

反饋方程 180

反饋方程的另一種推導 182

方框圖代數 182

傳遞函數方法的限制和重要性 183

第22章  PID 控制器 185

PID控制器的傳遞函數 185

PID控制器的典型形式 186

通用控制器 186

重新審視比例控制的穩定偏差 187

工作的例子 188

第23章  極點和零點 189

傳遞函數的結構 189

極點和零點的影響 190

特殊情況和其他細節 191

極點位置和響應模型 193

主導極點 193

極點的配置 195

如何處理延遲 195

第24章  根軌跡技術 197

造根軌跡圖 197

根軌跡或埃文斯規則 198

角度和幅度標準 200

實際問題 201

例子 201

P控制器的簡單滯后 202

PI控制器的簡單滯后 203

第25章  頻率響應和波特圖 207

頻率響應 207

物理世界中的頻率響應 207

傳遞函數的頻率響應 208

工作的例子 209

波特圖 210

邊緣穩定性標準 212

其他圖形技術 213

第26章  本書主題拓展 215

離散時間建模和z變換 215

狀態-空間方法 216

穩健控制 218

優化控制 219

數學控制理論 220

附    錄

附錄A  詞匯表 223

附錄B  用Gnuplot繪制圖形 233

附錄C  復數 237

附錄D  深入閱讀 241