第六章系統(tǒng)可靠性設計

1、第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 6-16-1系統(tǒng)與系統(tǒng)可靠性的基本概念系統(tǒng)與系統(tǒng)可靠性的基本概念 l 一、系統(tǒng)的組成與類型一、系統(tǒng)的組成與類型 l 1 1、系統(tǒng)：由某些彼此相互協(xié)調(diào)工作的零、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)：由某些彼此相互協(xié)調(diào)工作的零、部件、子系統(tǒng) 組成的、為了完成某一特定功能的綜合體。組成的、為了完成某一特定功能的綜合體。 l 2 2、單元：組成系統(tǒng)并相對獨立的機件。、單元：組成系統(tǒng)并相對獨立的機件。 l 二、系統(tǒng)可靠性的基本概念二、系統(tǒng)可靠性的基本概念 l 1 1、系統(tǒng)的可靠性不僅與組成該系統(tǒng)各單元的可靠性有關，、系統(tǒng)的可靠性不僅與組

2、成該系統(tǒng)各單元的可靠性有關， 而且與組成該系統(tǒng)各單元的組合方式和相互匹配有關。而且與組成該系統(tǒng)各單元的組合方式和相互匹配有關。 l 2 2、系統(tǒng)可靠性設計方法：、系統(tǒng)可靠性設計方法： l 可靠性預測：按照已知零件或各單元的可靠性數(shù)據(jù)，計算可靠性預測：按照已知零件或各單元的可靠性數(shù)據(jù)，計算 系統(tǒng)的可靠性指標。系統(tǒng)的可靠性指標。 l 可靠性分配：按照已給定的系統(tǒng)可靠性指標，對組成系統(tǒng)可靠性分配：按照已給定的系統(tǒng)可靠性指標，對組成系統(tǒng) 的單元進行分配。的單元進行分配。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 6-2 6-2 可靠性預測可靠性預測 l 可靠性預測是在設計階段進行的定量的估計未來產(chǎn)品的可可靠性預測是在設計

3、階段進行的定量的估計未來產(chǎn)品的可 靠性的方法。它是運用以往的工程經(jīng)驗、故障數(shù)據(jù)，當前靠性的方法。它是運用以往的工程經(jīng)驗、故障數(shù)據(jù)，當前 的技術水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作為依據(jù)，的技術水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作為依據(jù)， 預報產(chǎn)品實際可能達到的可靠度。預報產(chǎn)品實際可能達到的可靠度。 l 預測的目的：預測的目的： l 1 1）檢驗本設計是否滿足給定的可靠性指標，預測產(chǎn)品的）檢驗本設計是否滿足給定的可靠性指標，預測產(chǎn)品的 可靠度值?？煽慷戎怠?l 2 2）協(xié)調(diào)設計參數(shù)及性能指標，以求得合理的提高產(chǎn)品的）協(xié)調(diào)設計參數(shù)及性能指標，以求得合理的提高產(chǎn)品的 可靠性。可靠性。 l 3 3

4、）比較不同的設計方案的特點及可靠度，以選擇最佳設）比較不同的設計方案的特點及可靠度，以選擇最佳設 計方案。計方案。 l 4 4）發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，以）發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，以 采取必要的措施，降低產(chǎn)品的失效率，提高可靠度。采取必要的措施，降低產(chǎn)品的失效率，提高可靠度。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 一、系統(tǒng)可靠性功能邏輯圖一、系統(tǒng)可靠性功能邏輯圖 l 結構圖：系統(tǒng)中各單元之間的物理關系結構圖：系統(tǒng)中各單元之間的物理關系 l 邏輯圖：系統(tǒng)單元間的功能關系邏輯圖：系統(tǒng)單元間的功能關系 第六章系統(tǒng)可靠性設計 l 例如，為了獲得足夠的電容量，常將三個電器例如，為

5、了獲得足夠的電容量，常將三個電器 并聯(lián)。假定選定失效模式是電容短路，則其中并聯(lián)。假定選定失效模式是電容短路，則其中 任何一個電容器短路都可使系統(tǒng)失敗。任何一個電容器短路都可使系統(tǒng)失敗。 l 因此，該系統(tǒng)的原理圖是并聯(lián)，而邏輯圖因此，該系統(tǒng)的原理圖是并聯(lián)，而邏輯圖 應是串聯(lián)的。應是串聯(lián)的。 c1 c2c3 c1c2c3 可靠性框圖可靠性框圖 第六章系統(tǒng)可靠性設計 l 系統(tǒng)可靠度為系統(tǒng)可靠度為 l l 可靠性串聯(lián)系統(tǒng)中，可靠性最差的單元對系統(tǒng)的可靠可靠性串聯(lián)系統(tǒng)中，可靠性最差的單元對系統(tǒng)的可靠 性影響最大。性影響最大。 二、數(shù)學模型法二、數(shù)學模型法 l 1 1、串聯(lián)系統(tǒng)、串聯(lián)系統(tǒng) n i i ni

6、 ni ns tR tRtRtRtR ttPttPttPttP ttttttPtR 1 21 21 21 )( )()()()( )( 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 隨著單元數(shù)量的增加和單元可靠度的減小，串聯(lián)隨著單元數(shù)量的增加和單元可靠度的減小，串聯(lián) 系統(tǒng)的可靠度將迅速降低。系統(tǒng)的可靠度將迅速降低。 n i is RR 1 在設計時，為提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，可從下列三方面考慮：在設計時，為提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，可從下列三方面考慮： (a) (a) 盡可能減少串聯(lián)單元數(shù)目盡可能減少串聯(lián)單元數(shù)目 (b) (b) 提高單

7、元可靠性，降低其故障率提高單元可靠性，降低其故障率 (c) (c) 縮短工作時間縮短工作時間 第六章系統(tǒng)可靠性設計 2 2、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性預測、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性預測 l 當一個系統(tǒng)的單元中只要有一個單元正常工作，該系統(tǒng)當一個系統(tǒng)的單元中只要有一個單元正常工作，該系統(tǒng) 就能正常工作，只有全部單元均失效時系統(tǒng)才失效，這就能正常工作，只有全部單元均失效時系統(tǒng)才失效，這 種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)，或稱為工作冗余系統(tǒng)種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)，或稱為工作冗余系統(tǒng) n i is RR 1 )1 (1 n i ins RRRRF 1 21 1111 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系

8、統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 3、貯備系統(tǒng)的可靠性預測、貯備系統(tǒng)的可靠性預測 l 定義：當并聯(lián)系統(tǒng)中只有一個單元工作，其他單元不工作而定義：當并聯(lián)系統(tǒng)中只有一個單元工作，其他單元不工作而 作貯備，而當工作單元失效作貯備，而當工作單元失效, ,則貯備單元中的一個單元立即則貯備單元中的一個單元立即 頂替上頂替上, ,將失效單元換下將失效單元換下, ,也稱為冗余系統(tǒng)也稱為冗余系統(tǒng) l 使系統(tǒng)工作不致中斷，若各單元的失效率相等都為使系統(tǒng)工作不致中斷，若各單元的失效率相等都為的話，的話， 則貯備系統(tǒng)的可靠度可用泊松分布的部分求和公式計算：則貯備系統(tǒng)的可靠度可用泊松分布的部分求和公式計算： !1!

9、3! 2 1)( 132 n ttt tetR n t s 第六章系統(tǒng)可靠性設計 A系統(tǒng)正常，A11單元正常，A22單元正常 21 1 1 121 12121 211111 00 1 11 120 112 12 tt t tt t tttttt s AAAA P AARttdF teedt Rteeedteee 第六章系統(tǒng)可靠性設計 非工作貯備的優(yōu)點是能大大提高系統(tǒng)的可靠度。非工作貯備的優(yōu)點是能大大提高系統(tǒng)的可靠度。 其缺點是：其缺點是： （1 1）由于增加了故障監(jiān)測與轉(zhuǎn)換裝置而提高了系統(tǒng)的）由于增加了故障監(jiān)測與轉(zhuǎn)換裝置而提高了系統(tǒng)的復雜復雜 度度； （2 2）要求故障監(jiān)測與轉(zhuǎn)換裝置的可靠度非

10、常高，否則貯備）要求故障監(jiān)測與轉(zhuǎn)換裝置的可靠度非常高，否則貯備 帶來的好處會被嚴重削弱。帶來的好處會被嚴重削弱。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 例：某兩臺發(fā)電機構成旁聯(lián)模型，發(fā)電機故障率例：某兩臺發(fā)電機構成旁聯(lián)模型，發(fā)電機故障率 =0.001h=0.001h-1 -1 ，切換開關成功概率 ，切換開關成功概率0.980.98，求運行，求運行100100 小時的可靠度。小時的可靠度。 解：解： R R( (t t)=)=e e0.001 0.001100100(1+0.98 (1+0.980.0010.001100)=0.9934100)=0.9934 若兩臺發(fā)動機并聯(lián)，系統(tǒng)可靠度若兩臺發(fā)動機并聯(lián)，系統(tǒng)可

11、靠度 R R( (t t)=2)=2e e- -t t- -e e-2-2tt=2 =2e e-0.001 -0.001100100- -e e- - 2 20.0010.001100100=0.9909 =0.9909 若希望旁聯(lián)可靠度大于并聯(lián)若希望旁聯(lián)可靠度大于并聯(lián) ，則，則 e e- -t t(1+ (1+P Ps stt) 2) 2e e- -t t- -e e-2-2t t 因此，要求切換開關成功概率 因此，要求切換開關成功概率 P Ps s (1- (1-e e-0.001 -0.001100100)/(0.001 )/(0.001100)=0.95100)=0.95 第六章系統(tǒng)可

12、靠性設計 4、表決系統(tǒng)的可靠性預測、表決系統(tǒng)的可靠性預測 l定義：由定義：由n n個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)，只要其個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)，只要其 中任意中任意r r個單元不失效，則系統(tǒng)就不會失效，個單元不失效，則系統(tǒng)就不會失效， 這種系統(tǒng)稱為這種系統(tǒng)稱為n n中取中取r r的表決系統(tǒng)，記為的表決系統(tǒng)，記為r/nr/n 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 l 特例：特例：1/n1/n串聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng) l n/nn/n并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng) n ri inii nmS tRtRCRtR)(1)()( 第六章系統(tǒng)可靠性設計 tt ttt s ee eeetR 32 32 23 3 3 )1 ( 2 3 )( p其可靠性數(shù)學模型為其可

13、靠性數(shù)學模型為（表決器可靠度為（表決器可靠度為1 1，組成單元的故障率均為，組成單元的故障率均為 常值常值 ）： 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 5、串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預測、串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預測 l串聯(lián)與并聯(lián)組合起來的系統(tǒng)，成為串并聯(lián)串聯(lián)與并聯(lián)組合起來的系統(tǒng)，成為串并聯(lián) 系統(tǒng)系統(tǒng) l計算方法：將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效串聯(lián)系統(tǒng)計算方法：將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效串聯(lián)系統(tǒng) 的方法來計算該系統(tǒng)的可靠度。的方法來計算該系統(tǒng)的可靠度。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 三、布爾真值表法三、布爾真值表法 l 實際工作中的許多復雜系統(tǒng)，不能簡化為串聯(lián)、并聯(lián)或串實際工作中的許多復雜系統(tǒng)，不能簡化為串

14、聯(lián)、并聯(lián)或串 并聯(lián)等上述典型的數(shù)學模型而加以計算，只能用分析其并聯(lián)等上述典型的數(shù)學模型而加以計算，只能用分析其 “正常正?！迸c與“失效失效”的各種狀態(tài)的布爾真值表法來計算其的各種狀態(tài)的布爾真值表法來計算其 可靠度，故此法又稱為狀態(tài)窮舉法?？煽慷龋蚀朔ㄓ址Q為狀態(tài)窮舉法。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 四、卡諾圖法四、卡諾圖法 第六章系統(tǒng)可靠性設計 第六章系統(tǒng)可靠性設計 6-3可靠性分配可靠性分配 l 可靠性分配：將工程設計規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標可靠性分配：將工程設計規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標 合理的分配給組成該系統(tǒng)的各個單元，確定系統(tǒng)合理的分配給組成該系統(tǒng)的各個單元，確定系統(tǒng) 各組成單元

15、的可靠定量要求，從而使整個系統(tǒng)可各組成單元的可靠定量要求，從而使整個系統(tǒng)可 靠性指標得到保證?？啃灾笜说玫奖ＷC。 l 1 1）以系統(tǒng)可靠度指標為約束條件，把體積、重量、）以系統(tǒng)可靠度指標為約束條件，把體積、重量、 成本等系統(tǒng)參數(shù)盡可能小作為目標函數(shù)成本等系統(tǒng)參數(shù)盡可能小作為目標函數(shù) l 2 2）體積、重量、成本等作為約束條件，要求將系）體積、重量、成本等作為約束條件，要求將系 統(tǒng)可靠度盡可能高的分配到各單元。統(tǒng)可靠度盡可能高的分配到各單元。 l 可靠性分配和可靠性預測是方向相反的兩個過程可靠性分配和可靠性預測是方向相反的兩個過程 l 常用的可靠性分配方法：常用的可靠性分配方法： l 1 1、等

16、分配法、等分配法 第六章系統(tǒng)可靠性設計 l 定義：對系統(tǒng)中的全定義：對系統(tǒng)中的全 部單元分配以相等的部單元分配以相等的 可靠度的方法可靠度的方法 l 1 1）串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分）串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分 配配 l 對于串聯(lián)系統(tǒng)對于串聯(lián)系統(tǒng) n si n i n i is RR RRR /1 1 因此單元的可靠度為： 第六章系統(tǒng)可靠性設計 2)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度分配并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度分配 n sii n is RRR RR /1 11 11 應分配為：故單元的可靠度 對于并聯(lián)系統(tǒng)： 3)3)串并聯(lián)系統(tǒng)可靠度分配串并聯(lián)系統(tǒng)可靠度分配 可先將串并聯(lián)系統(tǒng)簡化為可先將串并聯(lián)系統(tǒng)簡化為”等效串聯(lián)系統(tǒng)等效串聯(lián)系統(tǒng)”和和”

17、等等 效單元效單元”, ,再給同級等效單元分配以相同的可靠度再給同級等效單元分配以相同的可靠度. . 第六章系統(tǒng)可靠性設計 2、再分配法、再分配法 列，則有值按由小到大的次序排將各單元的可靠度預測 再分配。為此，先靠度并按等分配法進行提高低可靠性單元的可 容易。因此，可靠度，效果要好一些且提高低可靠性單元的可 ，值作在分配計算，顯然標并按規(guī)定的需改進單元的可靠度指 求，表示預測值不能滿足要度指標若設計規(guī)定的系統(tǒng)可靠 為：則系統(tǒng)的可靠度預測值 元的可靠度預測值為：如果已知串聯(lián)系統(tǒng)各單 s ss n i is n R RR RR RRRR , ,., 1 3 2 1 第六章系統(tǒng)可靠性設計 例例6-

18、1 。，試進行可靠度再分配規(guī)定串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度 若設計 由小到大排列為：個單元的可靠度預測值設串聯(lián)系統(tǒng) 9560. 0 .9998. 0,9856. 0,9570. 0,9507. 0 4 4 3 2 1 s R RRRR 2 1/1 4 3 2 0 0138. 1 1 8965. 0 R RRR R R m R s s ，則設 度，并進行再分配。因此需提高單元的可靠 不能滿足設計指標，預測值解：由于系統(tǒng)的可靠性 第六章系統(tǒng)可靠性設計 3、相對失效率法和相對失效概率法、相對失效率法和相對失效概率法 l相對失效率法：使系統(tǒng)中各單元的容許失相對失效率法：使系統(tǒng)中各單元的容許失 效率正比于該單元的預

19、計失效率值，并根效率正比于該單元的預計失效率值，并根 據(jù)這一原則來分配系統(tǒng)中各單元的可靠度。據(jù)這一原則來分配系統(tǒng)中各單元的可靠度。 適用于失效率為常數(shù)的串聯(lián)系統(tǒng)。適用于失效率為常數(shù)的串聯(lián)系統(tǒng)。 l相對失效概率法：使系統(tǒng)中各單元的容許相對失效概率法：使系統(tǒng)中各單元的容許 時效該率正比于該單元的預計失效概率的時效該率正比于該單元的預計失效概率的 原則來分配系統(tǒng)中各單元的可靠度。原則來分配系統(tǒng)中各單元的可靠度。 第六章系統(tǒng)可靠性設計 1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度分配）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度分配 n i i i n i n i i i s n i sni ttttt si F F w ww ttttt eeeee

20、i sni 1i 1i 1i 1i 21 1, . : 21 亦可表達為：各單元的相對失效概率 顯然 ：各單元的相對失效率為 或 所以 系統(tǒng)失效率個單元的預計失效率，第 第六章系統(tǒng)可靠性設計 例例6-2 可靠度各為何值？試問應給各單元分配的靠度為： 時系統(tǒng)可要求工作 失效概率分別為：元組成，各單元的預計一個串聯(lián)系統(tǒng)由三個單 ,980. 0 20,002. 0,003. 0,005. 0 1 1 1 2 1 1 sd R hhhh 第六章系統(tǒng)可靠性設計 2）冗余系統(tǒng)可靠度分配）冗余系統(tǒng)可靠度分配 l 通常將每組并聯(lián)單通常將每組并聯(lián)單 元適當組合成單個元適當組合成單個 單元，并將此單個單元，并將此單個 單元看成是串聯(lián)系單元看成是串聯(lián)系 統(tǒng)中并聯(lián)部分的一統(tǒng)中并聯(lián)部分的一 個等效單元。個等效單元。 l 如作為代替如作為代替n n個并聯(lián)個并聯(lián) 單元的等效單元在單元的等效單元在 串聯(lián)系統(tǒng)中分到的串聯(lián)系統(tǒng)中分到的 容許失效概率為：容許失效概率為： 1 1 1 1 3 3 1 1 2 2 1 21 1 , F F F F F F F F F F F F n F FFFFF n n i n i inB 個相對關系式： 則可取計失效概率若已知各并聯(lián)單元的預 第六章系統(tǒng)可靠性設計 許的失效