Устройство для статистическогомоделирования процессов эксплу-атации систем управления

 

ОПИСАНИE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик о>805328

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51)М. Кл.

G 06 F 15/20 (22} Заявлено 25 1078 (21) 2677857/18-24 с присоединением заявки Нов

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23} Приоритет—

Опубликовано 150281 Бюллетень Йо 6 (53) УДК 681. . 325 (088. 8) Дата опубликования описания 17. 02. 81 (72) Авторы изобретения

Г.В. дружинин В.М. Крылов, Г.В. Вор

И.А, Родионов и В.С. Ярош (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к вычисли- тельной технике и может быть.использовано при разработке, испытании и исследовании надежности систем управления в процессе эксплуатации.

Известно устройство для моделирования процессов эксплуатации систем, содержащее барокамеру, комплекс приборов для имитации условий эксплуатации, вибростол, испытуемую модель системы. Модель закрепляется на вибростоле и помещается в барокамеру, к которой подключены приборы для моделирования условий эксплуатации111.

С помощью такого устройства можно осуществлять только детерминированное моделирование измерения условий эксплуатации. Продолжительность и трудозатраты на моделирование при этом очень велики, а точность результатов-не высока из-эа учета случайных процессов старения и износа элементов систем, Статистическое моделирование случайных процессов изменения условий эксплуатации и,свойств исследуемой системы на этой установке невозможно.

Известен также стенд для моделирования процессов эксплуатации систем, содержащий приборы для программного управления изменения температуры, синхронизатор, блок задания значений температур, барокамеру, Модель исследуемой системы (2J.

Недостаток стенда — отсутствие возможности проведения с его помощью статистического моделирования процессов старения, износа и разрегулирования.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для статистического моделирования случайных процессов эксплуатации, состоящее из двух генераторов случайных процессов, коммутатора, блока селекции, ст.-.тистического анализатора, блока вероятностНых преобразователей, блока формирователей, бшока моделей систем и блока памяти. Вход блока моделей систем подключен к выходу блока формирователей, а вьвсод — ко входу блока селекции, вход статистического

25 анализатора соединен с в дом блока селекции, блок фиксации отказов подключен ко второму выходу блока селекции, выход соединен со вторым входом блока вероятностных преобразователей, первый вход которого соединен с блоком управления 31 .

805328

С помощью данного устройства возможно статистическое моделирование процессов эксплуатации систем управления с учетом постепенных и вне.запных отказов комплектующих элементов. Однако при этом нельзя имитировать такие факторы эксплуатации, как вибрация, ударные нагрузки, изменение . влажности и температуры. Без учета этих факторов эксплуатации результаты статистического модели- g рования оказываются недостаточно точ,ными и достоверными.

Устройство содержит многоканальцыи генератор 1 случайных процессов, блок 2 преобразователей напряжения, блок 3 пороговых элементов, модель

4 системы, блок 5 регистрации, стагнстический анализатор 6, блок 7 моделирования климатических: воздей60

Цель изобретения — повышение точности и достовернос ги статистического моделирования процессов эксплуатации систем управления.

Для достижения поставленной цели в устройство для статистического моделирования процессов эксплуатации, содержащее многоканальный генератор случайных процессов, выходы которого подключены ко входам блока преобразователей напряжения, модель системы, первый и второй входы которой подклю-чены соответственно к.выходу блока моделирования климатических воздействий и к первому выходу блока моделирования вибропроцессов, а выходы модели системы соединены со входами блока регистрации, выход которого ЗО соединен с первым входом статистичес( кого анализатора, введены первый и второй коммутаторы и блок пороговых элементов, входы которого подключены к выходам блока преобразователей, напряжения соответственно, а выходы блока пороговых элементов подключены соответственно к третьему входу модели системы, ко входу второго коммутатора и к первому входу первого коммутатора, второй 4О вход которого подключен к первому выходу второго коммутатора, второй выход которого соединен со входом блока моделирования вибропроцессов второй выход которого соединен со 4$ вторым входом статистического анализатора,.третий вход которого соединен с первым выходом первого коммутатора, второй выход которого соединен со входом блока моде Ъирования щ климатических воздействий.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для статистического моделирования процессов эксплуатации, на фиг. 2 — временная диаграмма, поясняющая принципы действия генератора случайных процессов и блока преооразователей напряжения. ствий, коммутаторы 8 и 9, блок 10 моделирования вибропроцессов.

Выходы генератора 1 подключены ко входу блока 2 преобразователей, выходы которого соединены со входом блока 3 пороговых элементов, Первый выход блока 3 пороговых элементов подключен к модели 4 системы, второй - ко входу коммутатора 8, а третий — ко входу коммутатора 9. Выход модели 4 системы соединен со входом блока 5 регистрации, выход которого подключен к первому входу статистического анализатора 6, второй вход анализатора 6 соединен с выходом ком мутатора 8, а третий - с выходом блока 10 формирования вибропроцессов, вход которого соединен с выходом коммутатора 9. Выходы блока 7 мо . делирования климатических воздей.— ствий и блока 10 формирования вибропроцессов присоединены ко второму и третьему входам модели 4 системы.

Блок 1 является многоканальным генератором стационарйых случайных процессов в виде электрических напряжений. Стационарные, случайные процессы, число которых определяется разномерностью решаемой задачи, служат для формирования.генерирования нестационарных случайных процессов, имитирующих старение, износ и разрегулирование системы.

При генерировании нестационарных случайных процессов в блоке 2 используются пары случайных величин — мгно венные амплитудные значения стационарных случайных напряжений, вырабатываемых генератором 1. При этом в зависимости от конкретной решаемой задачи могут выбираться либо амплитудные значения одного случайного процесса, либо разных. Причем одно из них служит для моделирования случайного начального значения параметра и-го элемента, а другое — для моделирования скорости его измерения. Если между скоростью и начальным значением имеется корреляционная зависимость, то выбирается пара случайных мгновенных напряжений, принадлежащая одному случайному стационарному процессу.

Величина коэффициента корреляции задается интервалом между .фиксируемыми мгновенными амплитудными напряжениями и зависит от шага срабатывания коммутатора, входящего в состав блока 2. На приведенной-диаграмме (см. фиг. 2 ) использованы следующие обозначения: 044 — мгновенные амплитудные значения напрккения i-го стационарного случайцого процесса; tg tg

gt - интервал корреляции между случайными напряжениями U „ и 0, заданное время моделирования;

V„ — скорость изменения отдельной . реализации нестационарного случай805328 ного процесса старения i-го элемента системы.

Блок 2 представляет собой по су-, ществу блок типовых преобразователей напряжения — интервал, времени. Одна- ко в данном случае в качестве вы- ходных величин этого блока иоцользуются не интервалы времени, а линейно изменяющиеся напряжения, модели.рующие отдельные реализации нестационариых случайных процессов изменения параметров комплектующих эле,ментов системы. В силу этого его можно назвать блоком моделирования реализаций-процессов старения элементов системы или блоком преобразователей напряжения. Собственных источников рандомизации блок 2 преобразователей ие имеет.

Блок 3 служит для обеспечения ряда 36 программных ситуаций, встречающихся при моделировании случайных про.цессов износа, старения и разрегулирования систем. Такие ситуации возникают, например, тогда, когда сте- 2» пень износа одного из элементов. системы достигает предельного заданного заранее значения и йроизводится замена элемента. Это требует прерывания процесса моделирования вибра- О ционных.или климатических воздействий на систему в течение времени ремонта. Б момент времени достижения напряжениями, имитирующими определяю щие параметры элементов заданных пре дельно возможных значений, с первого и третьего выходов блока 3 на первые входы блоков 8 и 9 поступают блокирующие сигналы, по которым прерывается моделирование климатических и вибрационных воздействий на модель 40 системы. Блок 3 содержит и пороговых элементов, каждый из которых предназначается для фиксирования предель ных величин и компонентов исследуемой системы. Типовые пороговые эле- 4 менты имеют по два входа и одному выходу; на первые входы подаются сравниваемые напряжения с выхода блока 2 преобразователей, а На втОрые вхаДЫпороговые напряжения, пропорциональные предельно возможным зиаченйям определенных параметров элементов системы, Второй выход блока 3 пороговых элементов слу-. жит для передачи линейно изменяющихся напряжений, имитирующих реализации нестационарных случайиых процессов на вход модели 4 систевал..

Блок 5 регистрации содержит схемы сравнения физических параметров.. системы, например амплитудные, час- 60 тотные и временные компараторы; а также счетчики импульсов, частотомеры и другие измерительные приборы, Информация о выходных параметрах системы с выхода блока 5 поступает для обработки на второй вход статистического анализатора 6.

На первый и второй входы анализатора 6 подаются управляющие сигналы со вторых выходов коммутатора

8 и блока 10. По этим сигналам включаются соответствующие измерительные схемы в статистическом анализаторе 6, например схема измерения средних значений наработки до отказа исследуемой системы при определенном режиме функционирования.

Блоки 8 и 9 служат для задания режимов климатических воздействий и вибраций.

Модель 4 системы может представлять собой аовокупиость электронных, эжктромеханических, оптоэлектронных и т.п. макетов элементов исследуемых систем. Жакеты соединяются между еобой в-соответствии со структурой системы. Изменение определяющих параметров макетов производится с помощью блока 2 формирования реализаций случайных процессов изменения свойств элементов систем. Модель

4 жестко .укрепляется на платформе вибростенда, который помещается в термобарокамеру. Законы и диапазоны изменения частот, время циклов качания частот, количество циклов и поддиапазонов, величины ускорений, формы ударных импульсов, а также величины темперутур, относительной влажности, атмосферного давления и пределы из изменений задаются с помощью блоков 10 и 7 соответственно .

Статистический анализатор 6 служит для автоматический обработки результатов вероятностного моделирования процессов эксплуатации систем управления. В его состав могут входить построители экспериментальных распределений значений наработки систем до отказа, вычислители характеристик законов распределений: математических ожиданий, средних квадратических отклонений, медиан и др.

Блок 7 моделирования климатических воздействий содержит типовое обо рудование: компрессоры низкого и высокого давления, испаритель, охладитель, конденсатор, вентилятор, холодильную камеру. С помощью этого оборудования по заданной программе с помощью коммутатора 8 осуществляется управление параметрами климатических воздействий на исследуемусистему.

Выбор и смена программ управления параметрами вибраций и ускОрений выполняются по командам от блока селекции.

Блок 10 моделирования вибропроцессов содержит электромагнитный резонансный вибростенд, монтажную раму, ускоритель, электромагнитные вибраторы, опоры, амортизаторы. Виб

805328

Линейно изменяющиеся напряжения с выхода блока 2 поступают на вход блока 3 пороговых элементов. Если величины этих напряжений не достигают 35 зараннее установленных порогов срабатывания элементов в блоке 3, то они со второго выхода подаются на вход модели 4 системы.

Если какое-либо напряжение, ими- . 40 тирующее изменение определяющих параметров элементов, превысит установ ленный в блоке 3 порог, то по первому и третьему выходам сигналы измерения режимов моделирования посту-; 4ф пают на входы коммутаторов 8 и 9.

В моменты времени поступления таких сигналов изменяются режимы моделирования внешних воздействий. Эти изменения заключаются либо в прекра-. щении имитации вибраций, ускорений, температурных воздействий на модель системы, либо в изменеиии уровней м иитенсивностей внешних воздействмй. Характер указаннык изменений зависит от особенностей моделироваstaa процессов функционирования конкретных исследуемых систем.

Иоделирование процессов старения, износа и разрегулирования производит ся в модели 4 системы. При этом по сигналам, поступающим на вход модели, происходит одновременное имитирование изменения свойств компонентов системы. Это осуществляется в условиях

60 ростенд работает по принципу вынужденных колебаний электромагнитных вибраторов. Для генерирования этих колебаний служит преобразователь с регулируемыми частотами.

Устройство работает следующим образом.

Требуемые законы распределения случайных величин, моделирующих соответствующие распределение параметров случайных процессов старения, износа и разрегулирования., элементов исследуемой системы воспроизводятся в генераторе 1 стационарных случайных процессов.

Поступающие на вход блока 2 преобразователя мгновенные амплитуд- . 1$ ные значения случайных напряжений служат для формирования реализаций нестационариых случайных процессов старения. элементов системы. Для каж- дой реализации используются в общем 20 случае два коррелированных амплитудных значения напряжения. Согласно фиг. 2 одно из этик значений случайного напряжения Щ4 является начальным значением определяющего параметра i-го элемента, а другое U используется для имитации скорости изменения этого параметра, т.е. для моделирования изменения свойств элемента системы в результате старения, износа или разрегулирования. виброударных и климатических воздействий на систему.

Характеристики воздействий на систему: скорости варьирования параметров, частота, длительность циклов, величины и формы ударных импульсов, значения температур, влажности и дав ления могут изменяться в ходе моделирования по определенным детерминированным или статическим законам, отражающим реальные процессы эксплуатации систем управления.

Исходные данные о таких процессах обычно известны по результатам натурных испытаний аналогичных систем;

O они могут также обоснованно задаваться с учетом специфики использования систем управления в новых режимах.

На второй вход модели 4 системы подаются сигналы, имитирующие климатические воздействия, в том числе: температуру, давление, влажность.

На третий вход модели 4 системы поступают сигналы с выхода блока 10 моделирования вибропроцессов.

Нарушения работоспособности исследуемой системы — выход ее определяющих параметров за границы допустимых значений — фиксируются в блоке 5 регистрации, Информация о нарушениях работоспособности системы поступает на второй вход статистического анализатора б, на первый— третий входы которого со вторым выходов коммутатора и блока 10 вибраций подаются сигналы об изменении режимов моделирования. По этим сигналам с помощью известных алгоритмов и схемных реализаций вычисляются такие характеристики надежности и качества функционирования систем управления, как интенсивность отказов, плотности распределения вероятностей значений наработки до отказа и на отказ, параметр потока отказов, средняя наработка до первого отказа, дисперсия времени безотказной работы и др.

Таким образом, с помощью предло-. женного устройства при статистическом,моделировании наиболее полно учитываются реальные явления, имеющие место при эксплуатации систем управления, а именно: случайные процессы старения, износа, разрегулирования, вибрационные и ударные нагрузки, климатические воздействия (температура, влажность, давление}. Этим обеспечивается значительный технико-эконсщический эффект. при применении устройства: в 5-6 раз сокращаются трудозатраты на проведение испытаний, более точно моделируются вероятностные процессы эксплуатации, а также более достоверно прогнозируются численные значения показателей качества и надежности функционирования исследуемых систем управления.

805328

1п

ôèã.1

Формула изобретения

Устройство для статистического моделирования процессов эксплуатации систем управления, содержащее многоканальный генератор случайных процессов, выходы которого подключены ко входам блока преобразователей напряжения, модель системы, первый и второй входы которой подключены соответственно к выходу блока моделирования климатических воздействий и к первому выходу блока моделирования вибропроцессов, а выходы модели системы соединены со входами блока регистрации,.выход которого соединен с первым входом статистического анализатора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит первый и второй коммутаторы и блок пороговых элементов, входы. которого подключены к выходам блока преобразователей напряжения соответетвенно, а выходы блока пороговых элементов подключены соответственно к третьему входу модели системы, ко входу второго коммутатора и к первому входу первого коммутатора, второй вход которого подключен к первому выходу второго коммутатора, второй выход которого соединен со входом блока моделирования вибропроцессов, второй выход которого соединен со вторым входом статистического анализатора, третий вход которого соединен с первым выходом первого коммутатора, второй выход которого соединен со входом блока моделирования климатических воздействий.!

3 Источники информации, принятые so внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР . Р 200249, кл. 6 06 Г 15/36, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР

Щ 9 227649, кл. Ge 01 н 1/00, 1966.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 237987, кл. H 02 М 5/458, 1976 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 10904/72

Тираж 756 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4