Пособие КиНЭС. Министерстерство образования и науки российской федерации

• Название: Министерстерство образования и науки российской федерации
• Анкор: Пособие КиНЭС
• Дата: 02.10.2022
• Размер: 0.95 Mb.
• Имя файла: Пособие КиНЭС.docx
• Тип: Документы; #709465
• страница: 1 из 15

МИНИСТЕРСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ю.В. ЗАХАРОВ

КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ


Йошкар-Ола

ПГТУ

2018

УДК 678.029.98

ББК 32.85

3 38

Рецензенты:

профессор кафедры БЖД ПГТУ, доктор техн. наук Н.М.Скулкин;

руководитель Управления федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций , канд. техн. наук

Г.А. Шишкин.

Захаров Ю.В.

3 38 Качество и надежность электронных средств: учебное пособие / Ю.В. Захаров. – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2018. – с.

USBN 5-8158-0273-5

Приведены основные сведения из теории математической статистики, теории ошибок измерения физических величин. Предложены методы выбора показателей качества объекта исследования. Рассмотрены вопросы оценки и управления качеством электронных средств на стадиях проектирования, производства и эксплуатации. Даны понятия, количественные показатели и методика расчета надежности электронных средств по внезапным отказам. Исследованы вопросы резервирования для повышения надежности электронных средств.

Для бакалавров направлений 11.03.03, 11.03.04, 27.03.02, 27.03.04.
УДК 678.029.983

ББК 32.85

ISBN 5-8158-0015-5

ISBN 5-8158-0219-

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров направлений: «Управление качеством»; «Конструирование и технология электронных средств»; «Управление в технических системах»; «Электроника и наноэлектроника». Необходимость его издания продиктована тем, что в учебных планах этих направлений имеется дисциплина «Управление качеством» или «Надежность электронных средств».

Основной задачей учебного пособия является систематизация знаний и умений студентов в области управления качеством, в расчете, оценке и повышении надежности электронных средств .

Первый раздел пособия посвящен кибернетическому представлению процесса производства электронного средства в виде системы, что позволяет формализовать описание его технического состояния математическими моделями зависимости показателя качества изделия от факторов, определяющих его численную величину .

Во втором разделе приведены основные сведения из теории математической статистики, так как количественные показатели качества и надежности электронных средств – случайные величины и события.

В третьем разделе предложены методы выбора информативных показателей для оценки качества и надежности электронных средств.

Основной материал учебного пособия изложен в четвертом и пятом разделах. Здесь рассмотрены: вопросы оценки и управления качеством электронного средства на всех стадиях его жизненного цикла; виды отказов , количественные показатели надежности изделий электронной техники и выражения для их расчета; методика расчета надежности нерезервированного электронного средства по внезапным отказам; резервирование электронного средства для повышения его надежности.

Каждый раздел учебного пособия сопровождается контрольными вопросами.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества продукции – одна из важнейших проблем на современном этапе развития общества. Именно качество определяет конкурентоспособность производителей продукции.

В условиях рыночных отношений успех предприятия зависит от степени соответствия выпускаемой продукции требованиям потребителя. Только в этом случае предприятие будет иметь устойчивый спрос на свою продукцию и получать прибыль, необходимую для его развития. В этих целях изготовитель продукции должен, во-первых, изучить рынок и потребности потребителей и, во-вторых, разработать и освоить производство высококачественных изделий. На предприятии такую комплексную проработку должны вести специалисты различных структурных подразделений с учетом технических, юридических, экологических, социально-экономических норм и правил.

Постоянно возрастающие требования к качеству электронных средств (ЭС), быстрая смена номенклатуры и усложнение процессов производства изделий приводят к необходимости целенаправленной деятельности по обеспечению заданного уровня качества разрабатываемых и выпускаемых ЭС, т.е. созданию системы управления их качеством.

Основная цель системы управления качеством ЭС– создание изделий высокого качества при минимальных затратах. Основными в системах управления качеством ЭС являются вопросы получения, обработки и обобщения информации об уровне качества изделия. В последующем эта информация используется для организации управляющих воздействий на условия и факторы, определяющие уровень качества ЭС на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

Качество изделия, являясь его свойством, закладывается в процессе проектирования, обеспечивается при производстве и оценивается в процессе эксплуатации с помощью определенных показателей. Все показатели качества любого ЭС подразделяются на восемь групп, но наиболее важной является группа, характеризующая его надежность.

Безотказность, долговечность, сохраняемость, безопасность, конкурентоспособность ЭС обеспечиваются его надежностью. Имеется тенденция рассматривать фактор надежности как необходимый элемент сертификации ЭС. Знание видов и причин возникновения отказов, количественных показателей, методов расчета, испытаний и резервирования является определяющим условием высокой надежности ЭС.
1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Электронную промышленность выделяет среди других отраслей обширность номенклатуры выпускаемых изделий и, соответственно, технологических процессов (ТП) их изготовления, различающихся по физической сущности, организации, характеру протекания и другим признакам, причем наиболее сложными из них являются ТП производства электронных средств (радиоэлектронные и электронно-вычислительные средства).

Наиболее эффективных результатов при анализе и синтезе сложных объектов, какими являются ТП производства электронных средств (ЭС), можно добиться, используя системный подход – формализацию, приводящую к некоторой абстрактной модели функционирования объекта. На основе системного подхода вопрос решения сложной комплексной проблемы сводится к процессу взаимосвязанных решений менее сложных задач с большей степенью детализации при едином рассмотрении.

Обобщенным абстрактным образом функциональной модели ТП производства ЭС может быть его схематическое представление в виде структурной схемы (рис.1).



Рис.1. Технологическая система производства ЭС
На рис. 1 использованы следующие обозначения:

- входные переменные, определяющие численную величину показателей качества ЭС. В эту группу объединены управляемые параметры ТП, такие как режимы технологических операций, характеристики исходного материала и технологического оборудования и др. Изменение значений входных переменных ограничено в определенном интервале, задаваемом нормативно-технической документацией;

- выходные переменные, представляющие собой показатели качества изготовленного изделия (основные регламентирующие данные ЭС);

- контролируемые, но неуправляемые переменные. Данную совокупность составляют параметры, целенаправленное изменение которых невозможно, например, качество сырья, меняющегося от партии к партии;

- неконтролируемые переменные (вектор помехи), отличающиеся от элементов множеств и своим случайным характером в смысле величины, точки приложения и распределения во времени. К параметрам вектора помехи, кроме действующих извне, относятся неоднородность сырья и материалов, погрешности операторов и другие возмущающие воздействия;

( i=1,2,…, n-1; n – число операций ТП) – промежуточные переменные, являющиеся в общем случае элементами вектора , причем если значения переменных определяют состояние ТП в целом, то значения – состояние отдельных технологических операций;

, i=1,2,…,m - множество возможных состояний i-ой операции.

Соответствуя общему понятию «система» [1], ТП производства ЭС обладают рядом специфических особенностей, наличие которых заставляет выделить их в особый класс систем – технологических.

Технологические системы (Т-системы) состоят из подсистем (технологических операций), включающих в себя:

а) технологическое оборудование, технические средства и инструменты, используемые при выполнении операций производственного процесса;

б) исходные и вспомогательные материалы, сырьё, полуфабрикаты, подвергающиеся энергетическим воздействиям (механическим, химическим, электрическим и др.) для изготовления элементов, узлов и блоков ЭС;

в) технологическую среду (температура, влажность, давление, чистота среды и т.д.), в которой осуществляется процесс производства ЭС;

г) технологическую документацию, определяющую уровень производства;

д) контрольное и испытательное оборудование;

е) операторов, участвующих в ТП производства ЭС.

Кибернетическое представление ТП производства ЭС в виде системы позволяет формализовать описание его состояния математическими моделями, что в итоге ускоряет и повышает эффективность решения следующих теоретических и практических задач:

-диагностику качества элементов, узлов и блоков ЭС на стадии производства и эксплуатации;

-организацию системы управления качеством на всех этапах жизненного цикла ЭС;

-прогнозирование изменения показателей качества и надежности ЭС от воздействующих факторов и времени в период эксплуатации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Раскройте сущность системного подхода при анализе сложных объектов.

2. Дайте схематическое представление технологического процесса производства ЭС.

3. Что такое входные переменные технологической системы ЭС?

4. Что такое выходные переменные технологической системы ЭС?

5. Перечислите подсистемы технологической системы ЭС.

6. Виды задач, решаемых при представлении процесса производства ЭС в виде технологической системы.

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ
2.1. СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ. ВЫБОРКА

Оценка качества и надежности ЭС осуществляется с использованием статистических данных, полученных по результатам контроля единичных показателей качества изделия в процессе производства, испытаний и эксплуатации. Эти данные являются случайными величинами, а сопутствующие им явления – случайными событиями.

Случайная величина (СВ) – переменная, которая в результате опыта (измерения, эксперимента, испытания) может принимать то или иное значение, причем неизвестно заранее, какое именно. СВ могут быть дискретными (с дискретным рядом возможных значений) и непрерывными (принимающими любые значения из заданного или бесконечного интервала). Например, число отказов изделия за определенный промежуток времени эксплуатации является дискретной случайной величиной, которая может принимать значения : 0; 1; 2; …; N , а время работы изделия в часах до первого отказа – непрерывной случайной величиной.

Случайное событие – явление, которое в результате опыта может произойти или не произойти. Например, отказ изделия- случайное событие. Различают полную группу событий, несовместимые события и равновозможные события.

Полная группа событий – в результате опыта непременно должно появиться хотя бы одно из них и не может появиться событие, не входящее в полную группу.

Несовместимые события – в результате опыта не могут события появиться вместе. Например, отказ и безотказная работа изделия являются несовместимыми событиями.

Равновозможные события – в результате опыта по условиям симметрии есть основание считать, что ни одно из этих событий не является объективно возможным, чем другое.

Сбор и обработка статистических данных осуществляется на основе контроля показателей качества определенного числа изделий. Вся совокупность однородных (идентичных) изделий, подлежащих контролю, называется генеральной совокупностью.

При массовом производстве генеральная совокупность может содержать число изделий, насчитывающее десятки и сотни тысяч (например, резисторов). Измерять значения показателей качества изделий в таких случаях бывает экономически нецелесообразно. Поэтому контролируют показатели качества из некоторой части изделий, а результаты распространяют на всю генеральную совокупность.

Выборка – часть изделий, случайным образом взятая из генеральной совокупности. Оценка, полученная по результатам измерений показателя качества изделия в выборке, называется выборочной оценкой.

Число изделий в выборке определяет объем выборки. Очевидно, чем больше объем выборки, тем выше точность выборочных оценок. Однако с ростом объема выборки увеличивается трудоемкость измерения показателей качества в выборке, т.е. растут затраты времени и средств на выполнение контрольно-измерительных операций. Поэтому, в зависимости от требуемой точности, объем выборки ограничивают десятками - сотнями изделий. Оценку, обеспечивающую требуемую точность, принято называть состоятельной, а соответствующую выборку – репрезентативной (представительной).

Выборочная оценка производится по выборке ограниченного объема. Если из генеральной совокупности осуществить повторную выборку того же объема, то, в силу ограниченности объема выборки, та же оценка примет несколько отличающееся значение. Таким образом, выборочная оценка представляет собой случайную величину, меняющуюся от выборки к выборке. Выборочные оценки, обладающие тем свойством, что при любом объеме выборки их математическое ожидание равно оцениваемой числовой характеристике, называются несмещенными оценками. Требование несмещенности оценки особо важно при малом объеме выборки, когда величина смещения может исказить результаты.

Большое значение для установления меры объективности того или иного способа оценки числовой характеристики принадлежит понятию эффективности выборочной оценки. Оценку, имеющую минимальное рассеяние (среднее квадратическое отклонение или дисперсию) относительно истинного значения (математического ожидания) , называют эффективной оценкой.
2.2.ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН

Обозначим:

Х – случайная величина (СВ);

x₁, x₂,…, x_i,…, x_n – значения СВ Х;

Р – вероятность появления СВ Х;

p₁, p₂,…, p_i,…,p_n – вероятности появления значений x₁, x₂,…, x_i,…, x_n соответственно;

n – объем выборки.

Законом распределения СВ называется любое соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями СВ и соответствующими вероятностями их появления.

Закон распределения дискретной СВ представляется в виде статистического ряда распределения:

X	x1	x2	…	xi	…	xn
P	p1	p2	…	pi	…	pn

В этой таблице – вероятность принятия СВ значения х_i c частотой m_i; .

Графическое изображение статистического ряда называется полигоном.

Для непрерывной СВ не существует статистического ряда распределения, но есть аналог, где вместо дискретных значений Х берутся интервалы значений СВ равной длины l, а величины P представляют отношение числа значений СВ, попавших в данный интервал, к суммарному числу наблюдаемых значений.

Длина интервала l и число интервалов q находятся из выражений:
; ,

где х_max и х_min – максимальное и минимальное значение СВ Х в выборке.

Если значение СВ находится в точности на границе двух интервалов, то условно считается, что оно в равной мере принадлежит к обоим интервалам, и поэтому необходимо прибавить к величинам m того и другого интервала по 0,5. Если два значения СВ находятся на границе интервалов – то надо прибавить к величинам m по единице и т.д.

Графическое изображение полученного закона распределения непрерывной случайной величины называется гистограммой, где по оси абсцисс откладываются интервалы длиной l (их число равно q), а по оси ординат – прямоугольники с высотой, равной вероятности попадания СВ в i-й интервал (i=1,2,…,q).

Наиболее полную информацию о связи X и P дают интегральный и дифференциальный законы распределения.

Интегральный закон распределения (функция распределения) F(x) – вероятность того, что СВ X меньше некоторой текущей переменной x:

.

F(x) существует как для дискретной, так и для непрерывной СВ.

Свойства функции распределения:

1. 
   F(x) – неубывающая функция своего аргумента, т.е. при
   

;

2. 
   ;
   
3. 
   .
   

Эмпирическая функция распределения F*(x), т.е. вычисленная по экспериментальным статистическим данным, находится по формуле:



Тогда для непрерывной СВ имеем:





где x_i – среднее значение i-го интервала (i=1,2,…,q).

Таким образом, для непрерывной СВ функция распределения является монотонно возрастающей функцией в области своих значений и изменяется от нуля до единицы.

Дифференциальный закон распределения (плотность распределения ) f(x) характеризует плотность (степень концентрации), с которой распределены значения СВ в точке Х=х:



Плотность распределения – это производная от функции распределения случайной величины.

Свойства плотности распределения:

1. 
   . Численные значения плотности распределения не могут быть отрицательными величинами;
   
2. 
   С физической точки зрения это свойство характеризует, что площадь фигуры, ограниченная плотностью распределения и осью возможных значений СВ , равна 1.
   

Функция распределения от плотности распределения выражается следующим образом:

.