Реферат: Типовые расчеты надежности систем на персональном компьютере

Д.А. ГОРБАЧ, Н.Я. КОЛЕСНИК

ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

Учебное пособие

Владивосток

Издательство Дальневосточногоуниверситета

1993

.

ББК 30.14

К 60

Печатается порешению

редакционно-издательского совета ДВГУ

Рецензент к.т.н.доцент Г.А.Гудаков

Колесник Н.Я., Горбач Д.А.

К 60 Типовые расчеты надежности систем на персональных

компьютерах: Учебноепособие.-Владивосток: Изд-во Даль-

невост. ун-та, 1993. — 24с.

ISBN 57444-0547-X

Учебное пособие посвящено вопросамнадежности элект-

ронных систем и устройств. Содержиттеоретическую часть,

справочный графический материал попараметрам надежности

типовых элементов РЭА, а также методическиерекомендации

по расчетам надежности систем и устройствс использова-

нием персональных компьютеров.

Предназначено для студентов технических специаль-

ностей, занимающихся разработкой электронной аппаратуры

в рамках курсового и дипломногопроектирования.

2107000000

──────────Без объявл. ББК30.14

180(03)-93

ISBN 57444-0547-X С Издательство

Дальневосточного

университета,1993

.

ВВЕДЕНИЕ

Будем рассматривать «Систему»как совокупность устройств,

характеризующуюсявыбранным числом параметров.

На эффективность системы оказывают влияниевзаимодействие

независимыхфакторов. Некоторые из этих факторов присущи самой

системе при еепроектировании, изготовлении иэксплуатации.

Другие факторы, воздействующие на эффективность, являются

внешними.

Требование к эффективности данной системы может зависеть

от времени, в течении которого она должна оставаться рабо-

тоспособной, может зависеть также и от цены, достижимой точ-

ности, веса илигабаритов и, наконец, от надежности системы.

Любое требование, основывающееся лишь на чем-то одном:

времени, стоимости, точности, весе, надежности и т.д.,значи-

тельно упрощаетрассмотрение. Однако требования, которые инже-

неры предъявляютк проектируемой системе, оказываютсягораздо

более сложными. Задача проектировщика усложняетсяне только

тем, что имеется набор разноречивых требований, нои тем, что

они заданы почтивсегда в весьма неясной форме. Сравнительная

важностьфакторов, действующих на эффективность системы, часто

может бытьоценена лишь после ее создания.

Однако в настоящее время существует определенная тенден-

ция считатьхарактеристики надежности наиболее важными.

Разница между проектированием устройств ипроектированием

системзаключается в более широком привлечении методов органи-

зации иинформации. Сложные системы могут выполнять много-

численныефункции, иметь много входныхканалов, преобразовы-

вать и выдаватьмного выходных данных и иметь большую стои-

мость. Поэтомупри проектировании сложной системы дополнитель-

но кхарактеристикам, описывающим поведение отдельных уст-

ройств, необходимо учитывать характеристики всей системы.

Только широкое рассмотрение позволит выбрать оптимальный

способ создания системы с требуемым уровнем эксплуатационной

надежности.

Заданная характеристика надежности системы определяется

исходя из ееназначения. На начальной стадии проектирования

системы определяется тип и минимальное числоустройств в схе-

.

ме. Затем определяется структура этихустройств, позволяющих

получить заданную характеристику надежности. Послетого как

выясненаструктура отдельных частей, выбираетсяинтенсивность

отказа и интенсивность восстановления элементов каждого уст-

ройства всоответствии с заданным уровнем надежности. В про-

цессе создания системы производится постоянная переоценка

способовдостижения заданной надежности при минимальных затра-

тах.

Главной идеей при проектировании системыявляется отыска-

ние путей, позволяющих получить все важные параметрысистемы,

при которых небыло бы оснований к серьезным переделкам и

система была бы оптимальной с точки зрениябольшинства требо-

ваний.

Первой задачей при проектировании надежнойсистемы явля-

ется определениеспособов, с помощью которых требования по на-

дежности будутвыполнены наилучшим образом. Естественно, эти

способынеобходимо выбирать, рассматривая требования по надеж-

ности вовзаимосвязи с другими важными характеристиками систе-

мы. Эти способы должны позволить выбратьнадежные системы с

наилучшейэффективностью, затем сделать заключение о необходи-

мых усилиях припроектировании, помочь определитьотказы, ко-

торые влияют навыбранную величину надежности. И, наконец, что

также оченьважно, они должны помочь достигнутьтакого уровня

надежностисистемы, который ограничен стоимостьюпроектирова-

ния. Выбор характеристик надежности производится исходя из

названного кругавопросов.

Проектирование сложной системы включает в себя много-

численныепроблемы, которые обычно находятся в тесной связи.

Сложностьпроблем, возникающих при проектировании систем умень-

шается по мереконкретизации задач, четкого определенияогра-

ничений и наличияисчерпывающей информации о разработанных ра-

нее более простыхсистемах.

Вопросы расчета надежности при проектировании будем

рассматривать напримере радиоэлектронных систем и устройств.

4

.

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИНАДЕЖНОСТИ И

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ НИМИ

Надежность системы есть ее свойствосохранять во времени

в установленныхпределах значения всех параметров, характери-

зующих способностьвыполнять требуемые функции в заданных ре-

жимах и условияхэксплуатации.

К основным характеристикам надежностиэлемента, узла или

радиоэлектроннойаппаратуры (РЭА) относятся вероятность безот-

казной работыP(t), вероятность отказа Q(t), частота отказов

f(t), интенсивность отказов L(t). среднее время наработки на

отказ T.

Под вероятностью безотказной работыизделия P(t) понима-

ется вероятностьтого, что оно будет сохранять своипараметры

в пределахзаданных допусков в течение определенного промежут-

ка времени и приопределенных условиях эксплуатации.

Вероятность безотказной работы может бытьнайдена экспе-

риментально по результатам испытаний или по даннымэксплуата-

ции:

N(t)

P(t) = lim────────

No->oo No

где No — число поставленных на испытание изделий;

N(t) — количество изделий, безотказноработающих в момент

времени t.

Отказ изделия является событием, противоположным безот-

казной работе. Так как РЭА не может находится одновременно в

двух состояниях(отказа и безотказной работы), то этисостоя-

ния образуютполную систему событий, и между вероятностями от-

каза Q(t) ибезотказной работы P(t) выполняется соотношение

Q(t) + P(t) = 1 (1.1)

Частота отказов f(t) является дифференциальной характе-

ристикойнадежности. Она определяется какплотность распреде-

лениявероятностей моментов отказов

f(t) = Q'(t) = dQ/dt = -dP/dt

5

Статическое значение частоты отказов можетбыть экспери-

ментальноопределено следующим образом. Время испытаний разби-

вается наинтервалы dTi и подсчитывается число изделий dNi,

отказавших закаждый интервал dTi:

dNi

f(t) = lim───────────────── (1.2)

dT -> 0 Ni * dTi

No -> oo

Более информативна (и поэтому чащеприменяется на практи-

ке) другаядифференциальная характеристика надежности - ин-

тенсивностьотказов L(t). По результатам испытаний она опреде-

ляется по формуле

dNi

L(t) = lim─────────────────── (1.3)

dTi -> 0 N(t) * dTi

где N(t) — количество изделий, работоспособных в момент t.

Введение в знаменатель формулы (1.3)величины N(t) вместо

No в формуле (1.2) отражает тотфакт, что часть изделий за

время t вышла изстроя.

Рис. 1.1 характеризует изменениеинтенсивности отказов во

времени. На участке A повышенное значениеинтенсивности отка-

зов объясняетсяскрытыми дефектами производства. Еевозраста-

ние на участке Cсвязано со старением РЭА и ее элементов. Важ-

ным свойством этой зависимости являетсяпостоянство L(t) на

участкенормальной эксплуатации, позволяющее сопоставить на

указанном участке каждому элементу РЭА характеристику надеж-

ности, не зависящую от времени, по которой в соответствии со

структурой соединения элементов между собой можно определить

вероятностьбезотказной работы и другие характеристики надеж-

ности РЭА.

6

.

│

│ L(t)

│

│. .

│ . .

│ ............. .

│ | |

│ A | B | C t

──┼──────────|─────────────────────────|───────────────────

Рис. 1.1. Обобщенная кривая распределенияотказов

для электронных систем икомпонентов

В теории надежности большое значение имеет связь между

интенсивностьюотказов и вероятностью безотказной работы:

┌t

P(t) = exp( — │ L(t)dt ) (1.4)

o┘

Для участка нормальной эксплуатации L =const, поэтому из

выражения (1.4)следует

P(t) = exp( — L * t ) (1.5)

Эта зависимость носит название «экспоненциальныйзакон

надежности"и широко используется для расчета вероятности бе-

зотказной работыпо известным значениям L и t .

Свойство безотказности РЭА характеризуется средней нара-

боткой до отказаT. По результатам испытаний она может быть

определена каксреднее арифметическое времени наработки до от-

каза каждого изпоставленных на испытание изделий:

7

.

^

T = ( SUM( Ti ) / No

i=1-No

^ _

где T — экспериментальная оценка величины T .

Величину средней наработки до отказа можноопределить по

известнойинтенсивности отказов, используя зависимость

_

T = 1 / L (1.6)

2. НАДЕЖНОСТЬ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВРЭА

Приводимые в литературе количественные характеристики на-

дежности Lo(t) иT соответствуют так называемым нормальным

условиям работы элементов: температуре окружающейсреды t =

(20-+5)`C,относительной влажности воздуха (65-+15)%, давлению

P = (87--107)KПа,коэффициенту электрической нагрузки Kн = 1.

Очевидно, что постоянство величин выбранных интенсив-

ностей отказов элементов возможно лишь принеизменных режимах

работы, соответствующих паспортным. Опыт эксплуатацииразлич-

ной радиоэлектронной аппаратуры показывает, что механические

воздействия(вибрация, удары), температурный и электрический

режимы работы радиоэлементов существенно влияют на срок их

службы.

Таким образом, вероятность отказов будет меняться в за-

висимости откоэффициента нагрузки Kн и температурного режима

того или иногоэлемента, а также в зависимости отвоздействия

окружающейсреды. Анализ надежности с учетом режимов работы

элементов проводится обычно с помощью зависимостей интенсив-

ности отказов отэтих дестабилизирующих факторов, а именно:

Li = ai( Kн, t`) * ac * Loi,

где Loi — интенсивность отказов i-го элемента при нормальных

условиях его работы;

8

.

ai( Kн, t`) — поправочный коэффициент,являющийся функцией

коэффициента нагрузки Кн и теплового режима i-го

элемента и определяемый на основеэмпирических выра-

жений, графиков и таблиц(рис.2.1-2.6.);

ac - коэффициент, отражающий влияние окружающей среды и

механических воздействий нанадежность радиоэлемен-

тов.

Коэффициентынагрузки элементов находят из следующих выражений:

— для резисторов

Kн = P / Pо ,

отношение реальной и номинальной мощности;

— для конденсаторов

Kн = U / Uо ,

отношение реального и номинальногонапряжения;

— для транзисторов

Kн1 = Uкэ / Uкэо ,

Kн2 = Uкб / Uкбо ,

Kн3 = Uэб / Uэбо ,

Kн4 = Iк / Iко ,

Kн5 = P / Pо ,

отношения рабочих и номинальныхпараметров;

— для диодов

Kн1 = U / Uо ,

Kн2 = I / Iо ,

U иUo — рабочее и номинальное обратные напряжения;

I и Io — рабочий и номинальный прямые токидиода.

9

.

3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ НА РАЗЛИЧНЫХЭТАПАХ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭА

Под расчетом надежности понимаютопределения значений ко-

личественных показателей надежности изделия по тем илииным

исходным данным. Расчет позволяет определить соответствие

разрабатываемого изделия заданным нормам надежности и при не-

обходимостипринять меры к ее повышению.

При расчете надежности на различных этапахпроектирования

РЭА разработчиковобычно интересуют оценки надежности в период

нормальной работы аппаратуры, когда интенсивность отказов

постоянна. При этом применим экспоненциальный закон надеж-

ности, т.е. фактическое время наработки до отказа подчинено

экспоненциальному закону распределения. Наиболее достоверные

количественныехарактеристики надежности любого изделия могут

быть определены в процессе расчетанадежности, если известны

интенсивностиотказов всех элементов надежности с учетом усло-

вий их эксплуатации. Здесь и далее под элементом расчета на-

дежностипонимается электрорадиоэлемент, блок или устройство в

зависимости оттого, что является составными частямиизделия,

для котороговедется расчет.

В зависимости от объема исходных данных и степени их де-

тальностиразличают следующие виды расчета показателей надеж-

ности:

— прикидочный;

— ориентировочный;

— окончательный.

Во всех случаях обычно считают, чтоинтенсивность отказов

не зависит отвремени и отказы элементов независимы, атакже,

что отказ любого учитываемого в расчетеэлемента приводит к

отказу всегоизделия (если отказ элемента приводит лишь к сни-

жению уровняфункционирования изделия, то следуетопределить,

соответствует лиэтот уровень состоянию работоспособности или

состоянию отказа;элемент включается в схему расчета только во

втором случае).

Значение интенсивностей отказов элементовпри прикидочном

расчетепринимается одинаковым для всех элементов и равным не-

которойусредненной (для данного изделия) величине. Таким об-

13

разом, для прикидочного расчета надежности нет необходимости

располагать электрической схемой изделия, а нужно лишь за-

датьсяпредполагаемым числом элементов.

Ориентировочный расчет надежности опирается на предполо-

жение, что все элементы изделия известны и что ониработают в

номинальном режиме,т.е. интенсивности их отказов Li определя-

ются среднимивеличинами, приведенными в справочнойлитерату-

ре.

Наконец, для окончательного расчетанадежности необходимо

знать не только состав элементов, но и ихреальные режимы и

условияэксплуатации, т.е. использовать соответствующие попра-

вочные коэффициенты к усредненным справочным значениям ин-

тенсивностиотказов элементов (см. разд. 2).

3.1. Порядок расчета и основные расчетныесоотношения

при ориентировочном и окончательномрасчетах надежности.

При расчете надежности целесообразнопридерживаться опре-

деленногопорядка.

Элементы сложных систем неравноценны с точки зрения на-

дежности, поэтому приступая к расчету, необходимо четкосфор-

мулироватьпонятие отказа. При расчете надежностиучитываются

лишь теэлементы, отказ которых приводит котказу всей систе-

мы. При составлении схемы расчета необходимостремиться к то-

му, чтобы ее элементами были конструктивнооформленные блоки.

Если отдельные части системы или элементы, входящие в блоки,

работаютнеодновременно, их целесообразнообъединять в группы

по времени их работы и образовывать из данных групп соот-

ветствующиеэлементы расчета. При этом считается, что ин-

тенсивностьотказов выключенных элементов равна нулю, а старе-

ние элементов вуказанном режиме отсутствует.

Ориентировочный расчет надежности удобновыполнять, сводя

исходные данные втаблицу (таблица 3.1). Здесь Li — интенсив-

ность отказовэлементов i-го вида, а Ni — число элементов i-го

типа в блоке, Lб1и Lб2 — суммарные интенсивности отказов пер-

вого и второгоблоков.

Для определения значений интенсивностиотказов элементов

необходимопользоваться справочными данными.

14

.

Таблица 3.1

┌────┬──────────────┬─────┬─────────────────────────┐

│ │ │ │ Блоки │

│ │ │Li ├────────────┬────────────┤

│ No │ Тип элемента│ │ 1 │ 2 │

│ │ │ 1/ч├────┬───────┼────┬───────┤

│ │ │ │ Ni │ Ni*Li │ Ni│ Ni*Li │

├────┼──────────────┼─────┼────┼───────┼────┼───────┤

│ 1 │ │ │ │ │ │ │

│ 2 │ │ │ │ │ │ │

│… │ │ │ │ │ │ │

│ X │ │ │ │ │ │ │

└────┴──────────────┴─────┼────┴───────┼────┴───────┤

│Lб1= │Lб2= │

│ Sum(Ni*Li)│ Sum(Ni*Li)│

└────────────┴────────────┘

Количественные характеристики надежности блоков вычисля-

ются на основанииданных таблицы 3.1. по формулам:

Lб = SUM( Ni * Li ) (3.1)

i=1-r

где Lб — интенсивность отказов блока;

_

Tб = 1 / Lб (3.2)

_

где Tб — средняянаработка до отказа;

Pб(t) = exp( — Lб * t) (3.3)

где Pб(t) — вероятность безотказной работы блока

Строятся зависимости Pб(t) и проводитсясравнение блоков

по надежности(рис. 3.1).

Количественные характеристики надежности устройства,

состоящего из Mэлементов расчета (блоков), при их одновремен-

ной работеопределяются по аналогичным формулам, но в качестве

величин Ni и Li впервую формулу (3.1) подставляют числа Ni=1

15

и интенсивностиотказов Lбi каждого из блоков. Подставив полу-

ченную величинуLу в формулы (3.2) и (3.3), получают требуемые

показателинадежности для устройства в целом.

При неодновременной работе блоковустройства, состоящего

из M блоков, его интенсивность отказовLу является функцией

времени. В этом случае для расчета показателей надежности

используютформулы:

Pу(t) = exp{ -t * SUM( Lбi * SUM[ 1(t — t'ij)- ( t — t«ij)]}

1..M 1..Ji

<spa

еще рефераты

Еще работы по программированию, базе данных

Реферат по программированию, базе данных

Информационные системы в экономике

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

Объективное программирование

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

ЛИСП

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

Методическая разработка по C++

29 Августа 2013