系统可靠性模型建立.pptx

《系统可靠性模型建立.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统可靠性模型建立.pptx（96页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2023/2/131内容提要-24.不可修系统可靠性模型4.1 虚单元4.2 不含桥联的复杂系统任务可靠性模型4.3 含桥联的复杂系统任务可靠性模型5.建模实例：某卫星过渡轨道、同步及准同步轨道任务可靠性6.系统任务可靠性建模的注意事项第1页/共96页1.可靠性模型概述第2页/共96页2023/2/133系统、单元和产品系统系统是由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。“系统”、“单元”相对概念可以是按产品层次划分：零部件、组件、设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层“系统”包含“单元”，其层次高于“单元”产品可以指任何层次，也可视为系统或单元。第3页/共96页2023

2、/2/134描述系统的模型原理图反映了系统及其组成单元之间的物理上的连接与组合关系。功能框图、功能流程图 反映了系统及其组成单元之间的功能关系。系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可靠性模型的基础。可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系。第4页/共96页2023/2/135可靠性模型概念建立系统可靠性模型的目的和用途在于定量分配、估算和评估系统的可靠性。根据系统特点，有多种可靠性建模方法:可靠性框图网络可靠性模型故障树模型事件树模型马尔可夫模型Petri网模型GO图模型 第5页/共96页2023/2/136可靠性模型概念可靠性模型建立于系统可靠性（方）框图，即为预计或估算产

3、品的可靠性所建立的可靠性方框图和数学模型，也称可靠性逻辑框图及其数学模型。了解系统中各个部分(或单元)的功能和它们相互之间的联系以及对整个系统的作用和影响对建立系统的可靠性数学模型、完成系统的可靠性设计、分配和预测都具有重要意义。借助于可靠性框图可以精确地表示出各个功能单元在系统中的作用和相互之间的关系。第6页/共96页2023/2/137可靠性框图 系统可靠性（方）框图(Reliability Block Diagrams，简写RBD）方框：产品或功能逻辑关系：功能布局连线：系统功能流程的方向 无向的连线意味着是双向的。节点（节点可以在需要时才加以标注）输入节点：系统功能流程的起点 输出节点

4、：系统功能流程的终点 中间节点第7页/共96页2023/2/138可靠性模型示例可靠性框图（收音机）可靠性数学模型第8页/共96页2023/2/139RBD和原理图的关系原理图表示系统中各部分之间的物理关系，而RBD表示系统中各部分之间的功能关系，即用简明扼要的直观方法表现能使系统完成任务的各种串并旁联方框的组合。虽然根据原理图也可以绘制出可靠性逻辑图，但并不能将它们二者等同起来。第9页/共96页2023/2/1310RBD和原理图的关系建立RBD时绝不能从结构和原理上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型。下图所示的流体系统，从结构上看是由管道及其上安装的两个阀门串联组成。为确定系统类型，一

5、定要分析系统的功能及其失效模式。2 2个串联阀系统示意图个串联阀系统示意图第10页/共96页2023/2/1311RBD和原理图的关系第一种情况，若单元1，2功能是相互独立的，只有每个单元都实现自己的功能（开启），系统才能实现液体流通的功能，若其中有一个单元功能失效，则系统功能就失效，液体就被截流。第二种情况，单元1，2功能至少有一个功能正常，系统就能实现截流功能。只有当所有的单元功能都失效，系统功能才失效。第11页/共96页2023/2/1312基本可靠性模型基本可靠性模型用以估计产品及其组成单元发生故障所引起的维修及保障要求的可靠性模型。全串联模型，即使存在冗余单元，都按串联处理。故储备单

6、元越多，系统的基本可靠性（无故障持续时间和概率）越低。度量使用费用。任一单元发生故障，都会引起维修和保障要求。第12页/共96页2023/2/1313任务可靠性模型任务可靠性模型用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率（在规定任务剖面中完成规定任务功能的能力），描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种可靠性模型。系统中储备单元越多，则其任务可靠性越高。注意事项模型描述的是各单元之间的可靠性逻辑关系。第13页/共96页2023/2/1314基本可靠性模型任务可靠性模型在进行设计时，根据要求同时建立基本可靠性及任务可靠性模型的目的在于，需要在人力、物力、费用和任务之间

7、进行权衡。设计者的责任就是要在不同的设计方案中利用基本可靠性及任务可靠性模型进行权衡，在一定的条件下得到最合理的设计方案。为正确地建立系统的任务可靠性模型，必须对系统的构成、原理、功能、接口等各方面有深入的理解。第14页/共96页2023/2/1315F/A-18基本可靠性模型第15页/共96页2023/2/1316F/A-18任务可靠性模型第16页/共96页2023/2/1317可靠性逻辑关系第17页/共96页2023/2/1318建模步骤1.规定产品规定产品定义定义确定任务和功能确定任务和功能功能分析功能分析确定工作模式确定工作模式规定性能参数及范围规定性能参数及范围故障定义故障定义确定物

8、理界限与功能接口确定物理界限与功能接口确定故障判据确定故障判据确定寿命剖面及任务剖面确定寿命剖面及任务剖面时间及环境时间及环境条件分析条件分析2.建立可靠建立可靠性框图性框图明确建模任务并确定限制条件明确建模任务并确定限制条件建立系统可靠性框图建立系统可靠性框图确定未列入模型的单元确定未列入模型的单元3.确定数模确定数模 系统可靠性数学模型系统可靠性数学模型建立任务可靠性模型的步骤第18页/共96页2.系统功能分析第19页/共96页2023/2/1320系统功能分析对系统的构成、原理、功能、接口等各方面深入的分析是建立正确的系统任务可靠性模型的前导。前导工作的主要任务就是进行系统的功能分析功能

9、的分解与分类功能框图与功能流程图时间分析任务定义及故障判据第20页/共96页2023/2/1321功能的分解与分类 功能的分解系统往往是多任务与多功能的。一个系统及功能是由许多分系统级功能实现的。通过自上而下的功能分解过程，可以得到系统功能的层次结构。功能的逐层分解可以细分到能够获得明确的技术要求的最低层次（如部件）为止。进行系统功能分解可以使系统的功能层次更加清晰，同时也产生了许多低层次功能的接口问题。对系统功能的层次性以及功能接口的分析，是建立可靠性模型的重要一步。第21页/共96页2023/2/1322功能的分解第22页/共96页2023/2/1323功能的分类分类分类定义定义按重按重要

10、程要程度分度分基本功能基本功能起主要的必不可少的作用；起主要的必不可少的作用；担任主要的任务，实现其工作目的；担任主要的任务，实现其工作目的；它的作用改变了，就会产生整体性的变化。它的作用改变了，就会产生整体性的变化。辅助功能辅助功能针对某种特定的构思所必需的功能，或辅助实现基本针对某种特定的构思所必需的功能，或辅助实现基本功能所需要的功能。它相对于基本功能是次要的或从功能所需要的功能。它相对于基本功能是次要的或从属的。属的。按用按用户要户要求分求分必要功能必要功能对于用户的任务需求而言，是必要的和不可缺少的。对于用户的任务需求而言，是必要的和不可缺少的。不必要功能不必要功能对于用户的任务需求

11、而言，该功能并非是非有不可的。对于用户的任务需求而言，该功能并非是非有不可的。在系统功能分解的基础上，可以按照给定的任务，对系统的功能进行分类整理。第23页/共96页2023/2/1324功能框图与功能流程图 用以描述在系统功能分解过程中的较低层次功能间的接口与关联关系。功能框图功能流程图功能框图与功能流程图的逐级细化过程是与系统的功能分解相协调的。第24页/共96页2023/2/1325某家用热水器原理图 原理图、功能层次图及功能框图第25页/共96页2023/2/1326某空间飞行器整个飞行任务在最高层次以及下级层次中的功能流程第一层第一层 飞行任务飞行任务 第二层第二层 40执行任务操作

12、执行任务操作第26页/共96页2023/2/1327时间分析功能框图静态（不随时间而变）系统级的功能以及它们的子功能具有唯一的时间基准（所有功能的执行时间一样长）复杂系统一般具有两方面的特点：系统具有多功能，各功能的执行时机是有时序的，各功能的执行时间长短不一。在系统工作的过程中，系统的结构是可以随时间而变化的。第27页/共96页2023/2/1328时间分析系统的功能随时间而变的系统功能流程图可以描述这类系统的功能关系，为建立系统可靠性框图模型奠定基础。它的一个缺陷：没有对系统功能的持续时间及功能间的时间进行描述，缺少一个时间坐标。时间特性是可靠性分析中不可缺少的一个要素。需要进行时间分析确

13、定时间基准通过与该时间基准对应，可以得到系统功能流程图中各功能的执行时间及功能间的时间。第28页/共96页2023/2/1329某飞行任务的时间基准 第29页/共96页2023/2/1330任务定义及故障判据 在进行系统功能分解、建立功能框图或功能流程图及确立时间基准的基础上，要建立系统的任务及基本可靠性框图，必须明确地给出系统的任务定义及故障判据，把它们作为系统可靠性定量分析计算的依据和判据。产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称为故障。对于具体的产品应结合产品的功能以及装备的性质与使用范畴，给出产品故障的判别标准，即故障判据。故障判据是判断产品是否构成故障的界限值，一般

14、应根据产品规定性能参数和允许的极限来确定。第30页/共96页2023/2/1331任务定义及故障判据 一般地，建立系统的基本可靠性模型时，任务定义为：系统在运行过程中不产生非计划的维修及保障需求。故障判据为：任何导致维修及保障需求的非人为事件，都是故障事件。对于多任务、多功能的系统建立任务可靠性模型时，必须先明确所分析的任务是什么。对于任务的完成来说，涉及到系统的哪些功能，其中哪些功能是必要的，哪些功能是不必要的，以此而形成系统的故障判据。影响系统完成全部必要功能的所有软、硬件故障都计为故障事件。第31页/共96页3.典型的可靠性模型第32页/共96页2023/2/1333典型可靠性模型分类典

15、型的可靠性模型分为有贮备与无贮备两种，有贮备可靠性模型按贮备单元是否与工作单元同时工作而分为工作贮备模型与非工作贮备模型。第33页/共96页2023/2/1334建模前的假设 系统及其组成单元只有故障与正常两种状态，不存在第三种状态；用框图中一个方框表示的单元或功能发生故障就会造成整个系统的故障（有替代工作方式的除外）；就故障概率来说，用不同方框表示的不同功能或单元其故障概率是相互独立的。系统的所有输入在规定极限之内，即不考虑由于输入错误而引起系统故障的情况；当软件可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠的；当人员可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设人员是完全可靠的，而且人员

16、与系统之间没有相互作用问题。第34页/共96页2023/2/1335典型可靠性模型串联模型并联模型表决模型（r/n(G)模型）非工作贮备模型（旁联模型）桥联模型 第35页/共96页2023/2/1336串联模型组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联模型是最常用和最简单的模型之一。串联系统的RBD如下图所示：串联系统可靠性框图串联系统可靠性框图123n第36页/共96页2023/2/1337串联模型串联系统的数学模型当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布第37页/共96页2023/2/1338串联模型系统的失效率为各单元的失效率之和每一个单

17、元的失效率为系统的平均故障间隔时间：第38页/共96页2023/2/1339串联模型例某系统是由六种元器件构成的串联结构，其元器件的数量及其失效率如下表所示。求系统失效率和MTBF。项目项目元器件元器件 数量数量总失效率总失效率 集成电路集成电路3.710-736001.3310-3晶体管晶体管10-735003.510-4电阻、电容电阻、电容10-877500.7810-4厚膜电路厚膜电路2.410-8501.210-6接插件接插件10-8100001.010-4焊接点焊接点10-8830000.8310-4MTBF实测值为实测值为500h第39页/共96页2023/2/1341串联模型在设

18、计时，为提高串联系统的可靠性，可从下列三方面考虑：尽可能减少串联单元数目提高单元可靠性，降低其故障率缩短工作时间第41页/共96页2023/2/1342并联模型组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统，是最简单的冗余系统（有贮备模型）。并联系统的RBD如图所示并联系统可靠性框图并联系统可靠性框图1M2n第42页/共96页2023/2/1343并联模型数学模型对于最常用的两单元并联系统，有第43页/共96页2023/2/1344并联模型即使单元故障率都是常数，而并联系统的故障率不再是常数当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n个相同单元的并联系统，有 s(t)1121=2t

19、tt2s(t)s(t)第44页/共96页2023/2/1346并联模型与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可靠性（特别是n=2时）。当并联过多时可靠性增加减慢。并联单元数与系统可靠度的关系并联单元数与系统可靠度的关系tRs(t)1.00.80.60.40.2n=5n=4n=3n=2n=1第46页/共96页2023/2/1347表决模型由n个单元和一个表决器组成的表决系统。当表决器正常时，在系统的n个单元中，正常的单元数不小于r（1 r n），系统就不会有故障，这样的系统称为r/n(G)表决模型。它是并联模型的一种特例，属于工作贮备模型。RBD如下：r/n(G)系统可靠性框图系统可靠性框图

20、1M2nr/n(G)第47页/共96页2023/2/1348表决模型数学模型 式中：RS(t)为系统的可靠度；R(t)为系统组成单元（各单元相同）的可靠度；Rm 为表决器的可靠度。当各单元的可靠度是时间的函数，且寿命服从故障率为的指数分布时，系统可靠度为：当表决器的可靠度为1时，系统的平均无故障间隔时间为：第48页/共96页2023/2/1349表决模型在r/n(G)模型中，当n为奇数（令为2k+1），且正常单元数必须大于k+1时系统才正常，这样的系统称为多数表决模型。多数表决模型是r/n(G)系统的一种特例。三中取二（2/3）系统是常用的多数表决模型，其可靠性框图如下2/3(G)系统可靠性框

21、图系统可靠性框图123121323(a)(b)2/3(G)2/3表决器第49页/共96页2023/2/1350表决模型当表决器可靠度为1，组成单元的故障率均为常值，其可靠性数学模型为：第50页/共96页2023/2/1351表决模型若表决器的可靠度为1，则当r=1时，1/n(G)即为并联系统；当r=n时，n/n(G)即为串联系统。所以，表决模型系统的MTBFs比并联系统小，比串联系统大。第51页/共96页2023/2/1352旁联模型组成系统的各单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，称为非工作储备系统，又称旁联系统。非工作贮

22、备系统可靠性框图非工作贮备系统可靠性框图12n故障监测和故障监测和转换装置转换装置K第52页/共96页2023/2/1353旁联模型数学模型1.假设转换装置可靠度为1，则系统的MTBFS等于各单元MTBFi之和。当系统各单元的寿命服从指数分布时，有 第53页/共96页2023/2/1354旁联模型系统的各单元都相同时，有对于常用的两个不同单元组成的非工作贮备系统（n=2,12）第54页/共96页2023/2/1355旁联模型 2.假设转换装置的可靠度为常数RD，当两个单元相同且寿命服从指数分布，系统的可靠度为对于两个不相同单元，有第55页/共96页2023/2/1356旁联模型非工作储备系统的

23、优点是能大大提高系统的可靠度。其缺点是：由于增加了故障监测与转换装置而提高了系统的复杂度；要求故障监测与转换装置的可靠度非常高。一般要求它的不可靠度必须小于单个单元不可靠度的50%，否则储备带来的好处会被严重削弱。第56页/共96页2023/2/1357旁联模型例某2台发电机构成旁联模型，发电机故障率=0.001/h，切换开关成功概率0.98，求运行100小时的可靠度。解：R(t)=e-0.001100(1+0.980.001100)=0.9934 若两台发动机并联，系统可靠度 R(t)=2e-t-e-2t=2e-0.001100-e-20.001100=0.9909 若希望旁联可靠度大于并联

24、 ，则 e-t(1+RDt)2e-t-e-2t 因此，要求切换开关成功概率 RD(1-e-0.001100)/(0.001100)=0.95第57页/共96页2023/2/1358桥联模型系统某些功能冗余形式或替代工作方式的实现，是一种非并联、表决或旁联的桥联形式，称为桥联模型。示例：系统由A、B、C、D、E五个部分组成，当开关E打开时，电机A向设备B供电，电机C向设备D供电。如果电机C故障，合上开关E，由电机A向设备B和D供电。系统的原理图和可靠性框图如下图 所示。第58页/共96页2023/2/1359桥联模型桥联模型从图中模型可以看出，在桥联模型中可靠性框图中的单元带有流向，它反映了系统

25、功能间的流程关系。通过观察分析上面的可靠性框图可以得知，当单元A和B，或单元A、D和E，或单元C和D都正常时，系统的功能正常。系统可靠度的数学模型为：第59页/共96页4.不可修系统的可靠性模型第60页/共96页2023/2/1361虚单元所谓虚单元就是把一些相互独立的单元组合在一起，构成一个虚拟的单元，达到简化可靠性框图的目的。充分性：虚单元内的所有单元与虚单元外的单元应是相互统计独立的；必要性：虚单元内的所有单元之间的逻辑关系不能仅用串联、并联及桥联模型来描述；虚单元应只有一个逻辑入口和一个逻辑出口。划分虚单元，简化可靠性框图后，可以分步建立系统的可靠性数学模型：建立虚单元的可靠度数学模型

26、，并把它作为虚单元的可靠度代入简化后的可靠性框图中；对简化后的可靠性框图建立数学模型。第61页/共96页2023/2/1362虚单元划分示例第62页/共96页2023/2/1363系统的可靠性数学模型为：在划分虚单元后应是一个简洁的串联、并联组合模型 前例图3-21、22不含桥联的复杂系统任务可靠性模型第63页/共96页2023/2/1364含桥联的复杂系统任务可靠性模型含有桥联的系统任务可靠性框图，在划分虚单元后得到的可靠性框图应是一个串联、并联和桥联的组合模型网络可靠性模型。（案例）布尔真值表法 部件状态图示法 全概率分解法 最小路集法 第64页/共96页2023/2/1365假设：组成系

27、统的各单元的寿命服从故障率为的指数分布。含桥联的复杂系统任务可靠性模型示例第65页/共96页5.建模实例示例示例某卫星某卫星过渡轨道、同步及准同步轨道阶段过渡轨道、同步及准同步轨道阶段任务任务可靠性模型的建立可靠性模型的建立第83页/共96页2023/2/1384系统可靠性模型示例产品定义 某卫星的系统组成：数据转发、天线、控制、测控、电源、远地点发动机、热控、结构等分系统。任务及任务剖面：从发射至轨道工作过程中，经历了六个阶段。第84页/共96页2023/2/1385系统可靠性模型示例功能分析过渡轨道段远地点发动机工作。远地点发动机工作的任务是：遥控指令启动远地点发动机点火，发动机推进数十秒

28、后，把卫星送入准同步轨道。远地点发动机的组成（其安全点火机构采用双点火头形式）。第85页/共96页2023/2/1386系统可靠性模型示例功能分析准同步及同步轨道段二次分离段二次分离段进进入入准准同同步步轨轨道道状状态态后后，将将远远地地点点发发动动机机抛抛离离卫卫星星本本体体。其其功功能能流流程程图图如如图所示。图所示。卫星定点段卫星定点段二二次次分分离离后后，卫卫星星从从准准同同步步轨轨道道上上开开始始十十余余天天的的漂漂移移，然然后后定定点点在在同同步步轨轨道上。道上。第86页/共96页2023/2/1387系统可靠性模型示例功能分析故障定义当一次分离（弹星分离）成功后，凡影响卫星定点任务完成的事件都是故障事件。时间基准 第87页/共96页2023/2/1388系统可靠性模型示例框图建立系统可靠性框图 第88页/共96页2023/2/1389系统可靠性模型示例数学建模建立系统任务可靠性数学模型 第89页/共96页2023/2/1390建模工作的注意事项建模工作的注意事项逐步细化、逐级展开时间基准与占空因子任务剖面第90页/共96页2023/2/13可靠性设计96感谢您的观看！第96页/共96页