系統(tǒng)可靠性課件.ppt

1、系統(tǒng)工程理論與應(yīng)用,系統(tǒng)可靠性分析,目錄,系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),1,2,3,4,系統(tǒng)可靠性模型,可靠性計(jì)算及預(yù)估,可靠性設(shè)計(jì)與分配,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.1系統(tǒng)可靠性?,可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 規(guī)定的條件-是系統(tǒng)完成規(guī)定功能的約束條件，包括使用條件、維護(hù)條件、操作條件和環(huán)境條件等； 規(guī)定的時間-廣義的時間（日歷時間、里程、發(fā)數(shù)）或“壽命單位”； 規(guī)定的功能-系統(tǒng)能正常發(fā)揮其各項(xiàng)性能。,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.2.為什么要進(jìn)行可靠性分析？,系統(tǒng)可靠性是評價系統(tǒng)的一個重要性能指標(biāo)，系統(tǒng)可靠性分析是系統(tǒng)工程的一個重要組成部分

2、。在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、使用與維護(hù)的各個環(huán)節(jié)中，運(yùn)用各種系統(tǒng)可靠性技術(shù)與方法評估系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)的可靠性，就可以更好地發(fā)揮系統(tǒng)效能，避免社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，獲得盡可能大的社會經(jīng)濟(jì)效益。,技術(shù)系統(tǒng),社會系統(tǒng),1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.2 為什么要進(jìn)行可靠性分析？,前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟11號”宇宙飛船返回時，因壓力閥門提前打開而造成三名宇航員全部死亡。 1986年1月28日導(dǎo)致穿梭機(jī)“挑戰(zhàn)者”號爆炸的竟是一個助推器的密封圈失效，助推器由許多節(jié)連接在一起組成，節(jié)間加以密封，如果一個連接點(diǎn)的密封失效，則將引起火箭助推器外殼破裂，從而引起外燃料罐爆炸。最后導(dǎo)致造價12億美元的“挑戰(zhàn)者

3、”號爆炸，七名宇航員全都遇難的重大事故。 美國的康明斯、卡勃彼特柴油機(jī)，大修期為12000小時，而我國柴油機(jī)不過1000小時，有的甚至幾十小時、幾百小時就出現(xiàn)小故障。 我國生產(chǎn)的電梯，平均使用壽命(指兩次大修期的間隔時期)為3年左右，而國外的電梯平均壽命在10年以上，是我們的3倍;故障率，國外平均為0.05次，而我國為1次以上，高出20倍。 因此，提高系統(tǒng)的可靠性，除了是關(guān)系到企業(yè)生存和發(fā)展的大問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)興衰的大問題。,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),可靠性度量指標(biāo),可靠度R(t),不可靠度F(t),故障密度函數(shù)f(t),故障率(失效率)(t),平均壽命,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),

4、70%,1.3 可靠性的度量指標(biāo),可靠度 R(t) 產(chǎn)品在規(guī)定的時間t內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的概率稱為產(chǎn)品的可靠度函數(shù)，簡稱可靠度，記為R(t)。,N0為產(chǎn)品總數(shù)，r(t)為工作到t時刻產(chǎn)品發(fā)生的故障數(shù)。,不可靠度 F(t) F(t)=1-R(t),1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.3 可靠性的度量指標(biāo),例：對100個某種器件在相同條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，每工作100h測試一次，得到結(jié)果下表所示，試估計(jì)該種元件在各檢測點(diǎn)的可靠度。,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.3可靠性的度量指標(biāo),故障(失效)密度函數(shù)f(t),故障率(失效率)(t) 已工作到時刻t的產(chǎn)品在其后單位時間內(nèi)發(fā)生

5、故障的條件概率稱為產(chǎn)品在時刻t的故障率，簡稱故障率，記為(t)。,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.3 可靠性的度量指標(biāo),故障率(失效率)(t),當(dāng)(t)=(常數(shù))時：,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.3 可靠性的度量指標(biāo),平均壽命 產(chǎn)品壽命的平均值稱為該產(chǎn)品的平均壽命，記為。 對不可修復(fù)產(chǎn)品平均壽命又稱為平均故障前時間，記為MTTF。 對可修復(fù)產(chǎn)品平均壽命又稱為平均故障間隔時間，記為MTBF。,當(dāng)失效率為常數(shù)時：,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.3 可靠性的度量指標(biāo),幾種常見的壽命分布類型：,1 系統(tǒng)可靠性的概念及指標(biāo),70%,1.4產(chǎn)品的故障規(guī)律,浴盆曲線圖,2 系統(tǒng)

6、可靠性模型,典型系統(tǒng)的可靠性模型分類,2 系統(tǒng)可靠性模型,2.1串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型,產(chǎn)品原理圖：表示產(chǎn)品中各單元之間的物理關(guān)系。,可靠性框圖：表示產(chǎn)品中 各單元之間邏輯功能關(guān)系。,C,L,n個單元串聯(lián)模型的可靠度是產(chǎn)品各單元可靠度的積:,故障率是產(chǎn)品各單元故障率的和:,系統(tǒng)平均故障間隔時間MTBF為：,特點(diǎn)：組成串聯(lián)系統(tǒng)的單元越多，產(chǎn)品的可靠性越低。,串聯(lián)模型：只有所有子系統(tǒng)都正常工作，系統(tǒng)才能正常工作,2 系統(tǒng)可靠性模型,70%,2.2串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型,并聯(lián)系統(tǒng)是最簡單的冗余系統(tǒng),并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度：,特點(diǎn)：產(chǎn)品的可靠性高于各組成單元的可靠性。,并聯(lián)模型：只有所有子系統(tǒng)都失效，系統(tǒng)才失效。,

7、n個單元并聯(lián)模型的不可靠度：,2 系統(tǒng)可靠性模型,2.3混聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型,n列,k行,k行,n列,2.4表決系統(tǒng)可靠性模型,則n/k表決系統(tǒng)的可靠度為：,2 系統(tǒng)可靠性模型,2.5儲備系統(tǒng)可靠性模型,2.6橋式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性模型,橋式系統(tǒng),橋式系統(tǒng)模型,該橋式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共有32種狀態(tài)，有16種狀態(tài)為正常工作狀態(tài)。采用狀態(tài)枚舉的方法計(jì)算出橋式系統(tǒng)的可靠度。,為了提高系統(tǒng)的可靠性，可另外儲備一些具有相同功能的系統(tǒng)，以便當(dāng)工作中系統(tǒng)失效時用一個備用系統(tǒng)替代，具有這種功能的系統(tǒng)稱為儲備系統(tǒng)，根據(jù)這些儲備的子系統(tǒng)在儲備期間的失效率可以分為冷儲備和熱儲備。,2 系統(tǒng)可靠性模型,2.7選擇可靠性模型的原則,

8、大型系統(tǒng)的系統(tǒng)級一般都用串聯(lián)模型。 元部件可靠性是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。尤其是大量使用的元部件或設(shè)備，必須努力提高其可靠性。只有在這種方法不能奏效，或當(dāng)提高元部件的可靠性的費(fèi)用高于使用儲備的費(fèi)用時，使用儲備模型才是提高任務(wù)可靠性的有效的辦法。 對于簡單并聯(lián)模型來說，當(dāng)儲備單元超過一定數(shù)量時，可靠性提高的速度大為減慢(n3)； 有儲備的系統(tǒng)，如果可以在不停止工作的情況下進(jìn)行修理，則可以大大提高其可靠度；,3 可靠性計(jì)算及預(yù)估,70%,3.1 事件樹分析法,可靠性計(jì)算及預(yù)估的常用方法有：事件樹分析法、故障樹分析法、上下限法,事件樹分析法簡稱ETA法（Event Tree Analysis），它是一種自

9、上而下的順序分析法。分析從故障的原因事件開始，按時間進(jìn)程分析可能導(dǎo)致的各種事件序列，以便定性或者定量的分析系統(tǒng)。 ETA的主要內(nèi)容： A.確定或者尋找可能導(dǎo)致故障的原因事件,并進(jìn)行合理的分類 B.建立事件樹并進(jìn)行合理的簡化 C.定量計(jì)算系統(tǒng)的失效率和各種事件的概率,3 可靠性計(jì)算及預(yù)估,案例：煤氣報(bào)警系統(tǒng)事件樹,假如每個事件的發(fā)生概率均為0.988，則,3 可靠性計(jì)算及預(yù)估,70%,3.2 故障樹分析法,故障樹分析FTA：通過對造成系統(tǒng)故障（頂端事件）的各種可能的原因（中間事件或底事件）進(jìn)行分析，畫出邏輯因果圖（故障樹），進(jìn)而確定中間事件或底事件的各種可能的組合方式或共發(fā)生概率，以便采取措施提

10、高系統(tǒng)的可靠性。,故障樹示意圖,熟悉系統(tǒng)相關(guān)資料，掌握設(shè)計(jì)意圖、結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境情況。確定頂端事件及各級故障事件，根據(jù)任務(wù)要求確定分析目的及系統(tǒng)故障判據(jù)。,從頂端事件出發(fā)根據(jù)基本規(guī)則和方法建造故障樹。,故障樹的規(guī)范化；簡化及模塊分解；計(jì)算故障樹的最小割集。,由各底事件發(fā)生概率計(jì)算出頂事件的發(fā)生概率。,3 可靠性計(jì)算及預(yù)估,3.3 上、下限法,上、下限法也稱為邊界法和界限法。它根據(jù)系統(tǒng)各個單元的可靠度和失效率，逐步計(jì)算出整個系統(tǒng)越來越精確的可靠度上限和下限，然后根據(jù)恰當(dāng)?shù)墓?，?jì)算出整個系統(tǒng)的可靠度預(yù)測值。,Rum和Rlm分別為系統(tǒng)可靠度的上限和下限的預(yù)估值,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.1 可靠性

11、設(shè)計(jì),降額設(shè)計(jì) 儲備（冗余）設(shè)計(jì) EMC設(shè)計(jì) 升額設(shè)計(jì) 軟件可靠性設(shè)計(jì) 熱設(shè)計(jì) 可維護(hù)性設(shè)計(jì),4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.1 可靠性設(shè)計(jì),降額設(shè)計(jì) 為了提升電子設(shè)備的可靠性而常用，主要是指構(gòu)成電子設(shè)備的元器件使用(電應(yīng)力和溫度應(yīng)力)低于元器件本身的額定值，以達(dá)到延緩其參數(shù)退化，增加工作壽命，提高使用可靠性的目的。 在降額設(shè)計(jì)中，“降”得越多，要選用的元器件在性能就應(yīng)該越好，成本也就越高，所以在降額設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮。,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.1 可靠性設(shè)計(jì),冗余設(shè)計(jì) 如果一個系統(tǒng)的可靠度為MTBF = 6667H，達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)值MTBF = 8000H;若是把兩個這樣的系統(tǒng)“并聯(lián)”起來，

12、結(jié)果將會怎么樣呢? 單獨(dú)使用時對應(yīng)的失效率為1，可靠度為R1;并聯(lián)后的系統(tǒng)對應(yīng)的失效率為s，可靠度為Rs;則:,冗余設(shè)計(jì)過程中，必定會增加整個系統(tǒng)的體積、成本等,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.1 可靠性設(shè)計(jì),旁聯(lián)(儲備)效果最好，并聯(lián)次之，表決最差。,結(jié)論： 通過并聯(lián)、表決和儲備等冗余方式，均可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性?？紤]到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，有必要選擇合適的單元數(shù)量及聯(lián)接方式。,并聯(lián)系統(tǒng),表決系統(tǒng),儲備系統(tǒng),4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,代數(shù)分配法,1.等分配法,設(shè)Rs 是系統(tǒng)的可靠度要求，Ri是分配給每個子系統(tǒng)的可靠度要求,對于串聯(lián)系統(tǒng),i=1,2,n,對于并聯(lián)系統(tǒng),i=1,2,n

13、,將可靠度相等地分配給各個子系統(tǒng),4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,2.比例分配法,按子系統(tǒng)的現(xiàn)有不可靠度成比例地分配允許不可靠度，從而得到要求的可靠度。,例：設(shè)有某個串聯(lián)系統(tǒng)，n=3, R=0.9,子系統(tǒng)現(xiàn)有可靠度分別為0.94,0.90,0.96，需計(jì)算出各子系統(tǒng)可靠度的合理分配值。,R=R1R2R3Rn 1-F=(1-F1)(1-F2)(1-F3)(1-Fn)FF1+F2+F3+Fn,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,加權(quán)分配法,考慮各個子系統(tǒng)對于系統(tǒng)的重要程度，根據(jù)子系統(tǒng)發(fā)生故障后引起整個系統(tǒng)故障的概率來分配各個子系統(tǒng)的可靠度。,稱為重要因子或重要度,假設(shè)某系統(tǒng)由n個子

14、系統(tǒng)串聯(lián)組成，各子系統(tǒng)的可靠度都服從指數(shù)分布，如第i個子系統(tǒng)Ai的可靠度為：,則第i個子系統(tǒng)的預(yù)估可靠度為：,整個系統(tǒng)的可靠度為：,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,加權(quán)分配法,如要求系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)為R，則按等分配法分配到各個子系統(tǒng)的可靠度為：,考慮加權(quán)因子W時，可求得：,如果子系統(tǒng)是mi個單元所組成，系統(tǒng)總單元數(shù)為：,i=1,2,n,mi/N為系統(tǒng)的復(fù)雜因子,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,拉格朗日乘子分配法,原理：設(shè)有函數(shù)Z=F(x,y),要在條件G(x,y)=0的約束下求其極值。建立一個新函數(shù)：,稱為拉格朗日乘子，它滿足方程：,點(diǎn)（x0,y0）為函數(shù)F(x,y)及H(x,y)的極值點(diǎn)。,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,例：,設(shè)某系統(tǒng)中的子系統(tǒng)i可靠性Ri與它的制造費(fèi)用xi之間的關(guān)系可表示為：,式中di與i為子系統(tǒng)i的已知常數(shù)。設(shè)系統(tǒng)由K個子系統(tǒng)串聯(lián)而成,系統(tǒng)可靠度為R,它分配給各個子系統(tǒng)，使得制造總費(fèi)用,為最小。,i=1,2,K,4 可靠性設(shè)計(jì)與分配,4.2 可靠性分配,動態(tài)規(guī)劃分配法,設(shè)系統(tǒng)由n個子系統(tǒng)串聯(lián)組成，為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以采用冗余技術(shù)，將子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為元件并聯(lián)系統(tǒng)，于是整個系統(tǒng)如圖所示的串并聯(lián)混合系統(tǒng)。 設(shè)子系統(tǒng)i中有Ui個