Пермский Государственный Технический Университет
Кафедра автоматизированных систем управления
Липатов И.Н.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по курсу: “Надёжность функционирования автоматизированных систем”
Пермь 1996
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Надёжность неремонтируемых изделий
1.1. Проблемы надёжности
1.2. Факторы, влияющие на надёжность электронной аппаратуры, на надёжность изделий
1.2.1.Факторы, влияющие на надёжность при проектировании
1.2.2.Факторы, влияющие на надёжность в процессе изготовления
1.2.3.Факторы, влияющие на надёжность в процессе эксплуатации
1.3. Пути повышения надёжности
1.4. Основные понятия теории надёжности
1.5. Виды надёжности
1.6. Основные понятия и теоремы теории вероятностей
1.6.1. Классификация событий
1.6.2. Теорема сложения вероятностей
1.6.3. Теорема умножения вероятностей
1.6.4. Теорема полной вероятности
1.7. Количественные характеристики надёжности
1.8. Плотность вероятности f(t) времени безотказной работы Т
1.9. Интенсивность отказов l(t)
1.9.1. Определение интенсивности отказов l(t) по результатам испытаний
1.10. Числовые характеристики надёжности
1.11. Характеристики ремонтопригодности
1.12. Экспериментальная оценка надёжности изделий
1.13. Выравнивание статистического закона распределения случайной величины Т
1.14. Критерий Пирсона
1.15. Критерий Колмогорова
1.16. Законы распределения отказов и их основные характеристики
1.16.1.Экспоненциальный закон надёжности
1.16.2.Нормальный закон распределения
1.16.3.Закон распределения Вейбулла
1.17. Виды соединения элементов в систему
1.17.1. Последовательное соединение элементов в систему
1.17.2. Параллельное соединение элементов в систему
1.18. Классификация методов резервирования
1.18.1. Схема постоянного резервирования
1.18.2. Схема резервирования замещением
1.18.3. Схема общего резервирования
1.18.4. Схема раздельного резервирования
1.19. Расчёт надёжности системы с постоянным резервированием
1.20. Расчёт надёжности системы с постоянным общим резервированием
1.21. Расчёт надёжности системы с постоянным поэлементным резервированием
1.22. Режим облегченного (тёплого) резерва
1.23. Режим нагруженного резерва
1.24. Режим ненагруженного резерва
1.25. Основные количественные характеристики надёжности при поэлементном резервировании замещением
1.26. Анализ надёжности систем при резервировании с дробной кратностью и постоянно включенным резервом
2. Надёжность ремонтируемых (восстанавливаемых) изделий
2.1. Надёжность системы с восстановлением
3. Надёжность программного обеспечения
3.1. Сравнительные характеристики программных и аппаратурных отказов
3.2. Проверка и испытания программ
3.3. Основные проблемы исследования надёжности программного обеспечения
3.4. Критерии оценки надёжности программных изделий
3.5. Критерии надёжности сложных комплексов программ
3.6. Математические модели надёжности комплексов программ
3.7. Проверка математических моделей
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Наука о надёжности - молодая наука. Её формирование относится к середине текущего столетия. Но это не означает, что люди не интересовались и не занимались вопросами надёжности создаваемой ими техники до тех пор, пока не возникла наука о надёжности. С первых шагов развития техники стояла задача сделать техническое устройство таким, чтобы оно работало надёжно. Середина текущего столетия ознаменовалась новым качественным скачком в развитии техники - широким распространением больших и малых автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. Создание и использование такой техники без специальных мер по обеспечению её надёжности не имеет смысла. Опасность заключается не только в том, что новая сложная техника не будет работать (будут возникать простои), но главным образом в том, что отказ в её работе, в том числе и неправильная работа, может привести к катастрофическим последствиям.
Очевидно, что новая автоматизированная техника, выполняющая ответственные функции, имеет право на существование только тогда, когда она надёжна.
С развитием и усложнением техники усложнялась и развивалась проблема её надёжности. Для решения её потребовалась разработка научных основ нового научного направления - наука о надёжности. Предмет её исследований - изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым отказы подчиняются, разработка способов количественного измерения надёжности, методов расчёта и испытаний, разработка путей и средств повышения надёжности.
Наука о надёжности развивается в тесном взаимодействии с другими науками.
Математическая логика позволяет на языке математики представить сложные логические зависимости между состояниями системы и её комплектующих частей.
Теория вероятностей, математическая статистика и теория вероятностных процессов дают возможность учитывать случайный характер возникающих в системе событий и процессов, формировать математические основы теории надёжности.
Теория графов, исследования операций, теория информации, техническая диагностика, теория моделирования, основы проектирования систем и технологических процессов - такие научные дисциплины, без которых невозможно было бы развитие науки о надёжности. Они позволяют обоснованно решать задачи надёжности.
Основные направления развития теории надёжности следующие.
1. Развитие математических основ теории надёжности. Обобщение статистических материалов об отказах и разработка рекомендаций по повышению надёжности объектов вызвали необходимость определять математические закономерности, которым подчиняются отказы, а также разрабатывать методы количественного измерения надёжности и инженерные расчёты её показателей. В результате сформировалась математическая теория надёжности.
2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надёжности. Обработка статистических материалов в области надёжности потребовала развития существующих методов и привела к накоплению большой статистической информации о надёжности. Возникли статистические характеристики надёжности и закономерности отказов. Работы в этом направлении послужили основой формирования статистической теории надёжности.
3. Развитие физической теории надёжности. Наука о надёжности не могла и не может развиваться без исследования физико - химических процессов. Поэтому большое внимание уделяется изучению физических причин отказов, влиянию старения и прочности материалов на надёжность, разнообразных внешних и внутренних воздействий на работоспособность объектов. Совокупность работ в области исследования физико - химических процессов, обуславливающих надёжность объектов, послужила основой физической теории надёжности.
В конкретных областях техники разрабатывались и продолжают разрабатываться прикладные вопросы надёжности, вопросы обеспечения данной конкретной техники (полупроводниковые приборы, судовые установки, транспортные машины, вычислительная техника, авиация и т.д.). При этом решается также вопрос о наиболее рациональном использовании общей теории надёжности в конкретной области техники и ведётся разработка новых приложений, методов и приёмов, отражающих специфику данного вида техники. Так возникли прикладные теории надёжности, в том числе прикладная теория надёжности АСУ.
1. НАДЁЖНОСТЬ НЕРЕМОНТИРУЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ
1.1 Проблемы надёжности
Проблема надёжности возникла по следующим причинам:
1) Резкое усложнение изделий, электронной аппаратуры, большое количество элементов, входящих в состав изделия. Чем сложнее и точнее аппаратура, тем менее она надёжна;
2) Рост сложности системы превышает рост надёжности элементов в этой системе;
3) Функция, которую выполняет изделие, бывает очень ответственной и отказ изделия может дорого обойтись.
Пример: отказ аппаратуры управления производственным процессом может привести не только к прекращению изготовления продукции, но может вызвать серьёзную аварию.
К каким последствиям могут привести отказы электронной аппаратуры военного назначения, учитывая огромную разрушительную силу ядерного оружия.
4) Исключение человека - оператора из процесса управления. Это обусловлено скоротечностью процессов либо вредными условиями труда. Важным фактором безотказности аппаратуры является способность человека принимать решения при управлении сложным объектом.
5) Сложность условий, в которых осуществляется эксплуатация аппаратуры.
Академик Берг: “Не одно достижение науки и техники, сколь бы эффективно оно не было, не может быть полноценно использовано, если его реализация будет зависеть от “капризов” малонадёжной аппаратуры”.
1.2 Факторы, влияющие на надёжность электронной аппаратуры, на надёжность изделия
При анализе надёжности целесообразно рассматривать три этапа в создании аппаратуры или изделия.
1. Проектирование
2. Изготовление
3. Эксплуатация
1.2.1 Факторы, влияющие на надёжность при проектировании
1. Количество и качество элементов в системе оказывает влияние на надёжность. Увеличение количества используемых элементов приводит к резкому ухудшению надёжности аппаратуры. К ухудшению надёжности приводит применение менее надёжных элементов.
2. Режим работы элементов. Самые надёжные элементы, работающие в тяжёлом, не предусмотренном для их применения режиме, могут стать источником частых отказов. Для каждого элемента устанавливаются технические условия на режим работы элемента. Необходимо правильно выбрать режимы работы элементов.
3. Применение стандартных и унифицированных элементов резко повышает надёжность системы. Технология производства этих элементов отработана, надёжность их известна.