Курсовая работа по теории Надежности систем.. Курсовая работа расчет надежности функциональных элементов систем управления

• Название: Курсовая работа расчет надежности функциональных элементов систем управления
• Дата: 21.06.2020
• Размер: 0.91 Mb.
• Имя файла: Курсовая работа по теории Надежности систем..docx
• Тип: Курсовая; #131729

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М. Ф. Решетнева»

Институт космической техники

институт/ факультет/ подразделение

Кафедра систем автоматического управления

кафедра/ цикловая комиссия

КУРСОВАЯ РАБОТА

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

тема проекта (работы)

Руководитель
			подпись, дата		инициалы, фамилия
Обучающийся	161440004 ПР16-02				Ивлев Д.А
номер группы, зачетной книжки			подпись, дата		инициалы, фамилия

Красноярск 2020

АННОТАЦИЯ

к курсовой работе

«Расчет надежности функциональных элементов систем управления.»

Ивлев Дмитрий Андреевич
Ключевые слова: резервирование, основной элемент, резервный элемент, электрическая нагрузка, интенсивность отказа.

Целью работы является расчёт надежности функциональных элементов систем управления. Актуальность темы заключается в повешении надёжности работы элементов систем управления путем прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов элементов и повышения их надёжности.

В курсовой работе подробно рассмотрены расчеты электрических нагрузок элементов, спрогнозирована надежность системы путем расчета интенсивности отказов каждого элемента, с помощью методов резервирования и заменой элементов на более надежные, была увеличена надежность системы в целом и описаны основные достоинства и недостатки применения данных методов с практической точки зрения.

Курсовая работа содержит: 32 страниц, 8 рисунков, 10 таблицы.

Содержание


Введение:

Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами (ТС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности - способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности технических систем является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами “жизненного цикла” технической системы от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности технической системы. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Поэтому в данной курсовой работе рассчитывается надежность технической системы.

Задание на выполнение курсовой работы.



Рис. 1. Импульсный стабилизатор напряжения.

Дано:

= 3 кОМ

= 620 ОМ

= 27 ОМ

= 3 кОМ

= 200 ОМ

= 330 ОМ

= 1,6 кОМ

= 220 мкФ

= 0,015 мкФ

= 500 мкФ

= 500 мкГн

1. 
   Определение коэффициента электрической нагрузки
   

= , (1.1)

Где - электрическая нагрузка элемента в рабочем режиме (фактическая);

- номинальная или предельная по ТУ электрическая нагрузка элемента, выполняющего в конструкции роль схемного элемента.

В качестве F выбирают такую электрическую характеристику элемента, которая в наибольшей степени влияет на его безотказность (таблица 1.)

Таблица 1 - Электрические характеристики, используемы для определения коэффициента электрической нагрузки

Группа элементов	Характеристика F
Резисторы	Рассеиваемая мощность
Конденсаторы	Прикладываемое напряжение
Транзисторы, варикапы, диоды СВЧ	Рассеиваемая мощность
Диоды, кроме стабилитронов	Средний прямой ток
Стабилитроны	Ток стабилизации, рассеиваемая мощность
Тиристоры	Средний прямой ток, рассеиваемая мощность
Трансформаторы	Мощность
Дроссели, катушки индуктивности	Ток подмагничивания или протекающий ток

С помощь программы Micro – Cap рассчитаем электрическую нагрузку элементов в рабочем режиме.



Рисунок 2 – схема с действующими параметрами элементов.

Значения электрических нагрузок элементов в рабочем режиме, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – значения фактической нагрузки элементов

Рассеиваемая мощность на резисторах, Вт
Средний прямой ток на диоде, А
Рассеиваемая мощность на стабилитроне, Вт
Протекающий ток дросселя, А
Рассеиваемая мощность на транзисторах, Вт

1.1 Расчёт коэффициента электрической нагрузки резистора.

Для резисторов типа МЛТ номинальной мощностью рассеивания равна,

= 0,5 Вт.

Подставим значения в формулу (1.1), получим:

= = 5,4 ·

= = 1,008 ·

= = 9,97 ·

= = 5,39 ·

= = 0.21

= = 0.039

= = 0.195

1.2 Коэффициент электрической нагрузки диода.

Для диода типа (КД213А) средний прямой ток равен 1А:

= 9.932 ·

1.3 Коэффициент электрической нагрузки стабилитрона.

Для стабилитрона типа (КC139А) номинальная мощность рассеивания:

= 0,5 Вт.

= = 0.01

1.4 Коэффициент электрической нагрузки дросселя.

Индуктивность дросселя при токе подмагничивания 1А = около 1мГН.

= 9.947 ·

1.5 Коэффициент электрической нагрузки транзистора.

Для транзистора типа (КТ208А) рассеиваемая мощность = 150 мВт.

= = 5.44 ·

Для транзистора типа (КТ644Г) рассеиваемая мощность при температуре окружающей среды +25, равна = 125 Вт

= = 4.01 ·

Транзистор типа (КТ908Б) рассеиваемая мощность = 125 мВт.

= = 8.8 ·

Транзистор типа (КТ315) рассеиваемая мощность = 100 мВт.

= = 0,02

2. Прогнозирование надежности систем изделий.

2.1 Определение интенсивности отказов каждого элемента системы.

2.2.1 Интенсивность отказа диода.


= , (2.3)

Значение коэффициента могут быть рассчитаны с помощью математической модели (2.4).

= A · exp , (2.4)

Где А, , , L, – константы модели, представленные в таблица 3.

Таблица 3 – константы модели полупроводниковых приборов.



– температура окружающей среды

– коэффициент электрической нагрузки диода.

– коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности, показаны в таблице 4.

Таблица 4 – значение коэффициента



– коэффициент, учитывающий функциональный режим работы прибора, выбираем из таблицы 5.

Таблица 5 – значение коэффициента



- коэффициент, зависящий от отношения рабочего напряжения к максимально допустимому по ТУ, выбираем из таблицы 6.

Таблица 6 – значение коэффициента



Подставляем значения в формулу (2.4), рассчитаем коэффициент :

= 0.217

Подставляем значения в формулу (2.3), получаем:

= 0,091 · = 5.924 · час

2.2.2 Интенсивность отказа стабилитрона.

= , (2.5)

Значение коэффициента , рассчитаем по формуле (2.4)

= 0.342

Подставим значения в формулу (2.5), получим:

= 0,0041 · = 4.204 · час.

2.2.3 Интенсивность отказов транзисторов.

= , (2.6)

Значение коэффициента рассчитаем по формуле (2.4), получим:

= 0,319

Подставим значения в формулу (2.6) получим:

1,691 · 1/час.

1,692 · 1/час.

1,691 · 1/час.

2.2.4 Интенсивность отказов резистора.

= , (2.7)

Значение коэффициента могут быть рассчитаны с помощью математической модели (2.8):

= A exp exp , (2.8)

Где А,B, , G, , , H – константы модели, для резисторов выберем из таблицы 7.

Таблица 7 – константы модели.



– базовая интенсивность отказа резистора.

– температура окружающей среды.

– коэффициент электрической нагрузки резистора.

– коэффициент, зависящий от значения номинальной мощности, приведен в таблице 8.

Таблица 8 – значение коэффициента



– коэффициент, зависящий от значения номинального сопротивления, выберем из таблицы 9.

Таблица 9 – значение коэффициента



– выбор коэффициента производится по таблице 10.

Таблица 10 – значение коэффициента



Подставляя значения в формулу (2.8) , найдём значение коэффициента :

= 0,26 exp exp = 0,302

= 0,26 exp exp = 0,3

= 0,26 exp exp = 0,318

= 0,26 exp exp = 0,298 = 0,26 exp exp = 0,299

Подставляя значения в формулу 2.7 получим:

= 0.044 · = 6,514 · 1/час

= 0.044 · = 6,461 · 1/час

= 0.044 · = 6,856 · 1/час

= 0.044 · = 6,433 · 1/час

= 0.044 · = 6,44 · 1/час

2.2.5 Интенсивность отказа дросселя

= , (2.7)

Значение коэффициента рассчитаем по формуле (2.8)

= 0,46 + 0,012 + 0,54 (2.8)

– коэффициент электрической нагрузки дросселя.

– базовая интенсивность отказа дросселя

Подставляя значения в формулу (2.7) получим:

= = 5,177 · 1/час

2.2 Оценка характеристик надёжности невосстанавливаемых изделий при основном соединении элементов.

Общая интенсивность отказов элементов будет равна:

= = 4.288 · 1/час (2.10)

Отсюда получим вероятность безотказной работы в течении 10000 часов.

(t) = = 0,651 (2.11)

Наработка до отказа для изделия в цело будет равна:

= = 2332 час (2.12)

2.3 Расчет основных показателей для выбора номенклатуры.

В большинстве случаев общие требования к надежности формулируют в виде записи «требования к показателям надежности по ГОСТ 27.003». Задача расчета сводится к выбору номенклатуры задаваемых показателей, их согласованию и их дальнейшему расчету. Обязательным является расчет четырех основных показателя:

Эксплуатационную интенсивность отказов устройства в целом:
= = 4,71 · 1/час (2.13)
Где – обобщенный коэффициент эксплуатации = 1,1

Наработка на отказ:

T = = 21199 час (2.14)

Вероятность безотказной работы за заданное время t = 10000 час, равна:

P (t) = = 0,624 (2.15)

Гамма-процентная наработка до отказа:

Где, = 95%

= = - T (2.16)

= 1087 час

Учитывая полученные показатели надежности предложим способы повышения надежности и увеличения гамма-процентного ресурса в 1,5 раза.

3. Надежность невосстанавливаемых резервированных изделий.
Расчёт количественных характеристик надежности объектов с резервированием определяется видом резервирования. Все рассматриваемые математические зависимости приводятся без учёта надежности переключающих устройств, обеспечивающих перераспределение нагрузки между основными и резервными элементами.

Отказ системы произойдет в случае отказа любого элемента схемы, поэтому на схеме замещения по надежности все эти элементы будут соединены последовательно. Поэтому, схема замещения по надежности будет выглядеть следующим образом:


Рисунок 3 – схема замещения по надёжности элементов.

3.1 Общее резервирование с постоянно включенным резервом и целой кратностью.
Кратность резервирования m, необходимую для достижения заданной надежности резервированного объекта в определенный момент времени при заданной надежности основного объекта можно найти из выражения:

m = - 1 , (3.1)

где – заданная надежность резервированного объекта в определенный момент времени; – надежность основного объекта без резервирования.

Подставив значения в формулy (3.1), получим:

m = - 1 = 3,709

Поскольку количество элементов должно быть целым, округляем в большую сторону и получаем, что для достижения необходимой безотказности работы требуется резервировать основной элемент 4 резервными.

Структурная схема надежности общего резервирования с постоянно включенным резервом и целой кратностью имеет вид, как на рисунке 3.



Рисунок 4 – схема замещения по надёжности элементов с постоянным резервированием.

Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения:

P(t) = 1 – , (3.2)

Где =
Наработка до отказа резервированного объекта:

= , (3.3)

Интенсивность отказов резервированного объекта:

= , (3.4)

Поле подстановки значений в формулу (3.2) получаем:

P(t) = 0.996

Поле подстановки значений в формулу (3.3) получаем:

= 44100 час.

Поле подстановки значений в формулу (3.4) получаем:

= 3,722 ·

Рассчитаем гамму-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4):

= - 44100 = 2262 час.

Общее горячее резервирование для невосстанавливаемых объектов дает хороший эффект при малых значениях произведения . Этот вид резервирования наиболее целесообразно использовать для резервирования достаточно надежных объектов разового использования с коротким временем непрерывной работы

3.2 Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом.
При раздельном резервировании основной и каждый резервирующий объект могут иметь одинаковое и разное количество элементов. Резервирующие объекты включены параллельно самим себе и параллельно элементам основного объекта.

Структурная схема надежности раздельного резервирования с постоянно включенным резервом и целой кратностью имеет вид, как на рисунке 4.



Рисунок 5 - Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом и с целой кратностью.

Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения:

P(t) = , (3.5)

Наработка до отказа резервированного объекта:

= , (3.6)

Интенсивность отказов резервированного объекта:

= , (3.7)

Вероятность безотказной работы определим по формуле (3.5)

(t) = 0,9914

Общая наработка на отказ резервированного объекта будет равна:

= час.

После подстановки значений в формулу (3.3) получаем:

=

Рассчитаем гамму-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4):

= - = час.

При прочих равных условиях раздельное резервирование дает существенное повышение надежности по сравнению с общим резервированием. Раздельное резервирование используется для повышения надежности объектов с большим числом элементов и длительным временем использования.

3.3 Общее резервирование с замещением с целой кратностью.
В случае общего холодного резервирования работает основной объект, резервные объекты отключены с помощью специальных переключающих устройств. Структурная схема надежности имеет вид:


Рисунок 6 – схема замещения по надёжности элементов общем резервированием с целой кратностью.

При отказе основного объекта он отключается, а вместо него подключается один из резервных объектов. Таким образом, резервированный объект откажет при отказе основного и всех резервных объектов. При этом предполагается, что переключающие устройства абсолютно надежны.

Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения:

P(t) = , (3.8)

Где =

Наработка до отказа резервированного объекта:

= , (3.9)

Интенсивность отказов резервированного объекта:

= , (3.10)

При m = 3

Найдём вероятность безотказной работы по формуле (3.8)

P(t) = 0.998

Наработка до отказа резервированного объекта рассчитаем по формуле (3.9)

= 84798 час.

Интенсивность отказов резервированного объекта найдем по формуле (3.10)

= 5,156 · 1/час

Рассчитаем гамма-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4)

= - 84798 = 4350 час.

Резервирование замещением является эффективным средством повышения надежности при низкой надежности основного нерезервированного объекта. Объекты с «холодным» резервом надежнее объектов с «горячим» резервом, так как при горячем резервировании произойдет изменение частотных свойств схемы. Наработка до отказа линейно увеличивается с ростом кратности резервирования.

3.4 Раздельное резервирование замещением с целой кратностью.

При раздельном резервировании с замещением с целой кратностью структурная схема надежности имеет вид рисунок 6.



Рисунок 7 – схема замещения по надёжности элементов раздельным резервированием с целой кратностью.

Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения:

P(t) = , (3.11)

Наработка до отказа резервированного объекта:

= , (3.12)

Интенсивность отказов резервированного объекта:

= , (3.13)

Поле подстановки значений в формулу (3.11) получаем:

(t) = 0,9999

Поле подстановки значений в формулу (3.12) получаем:

=

Поле подстановки значений в формулу (3.13) получаем:

= час.

Рассчитаем гамма-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4)

= = 2,123 · час.

Заключение:

В данной курсовой работе были приведены основные расчёты повышения надежности системы:

- Общее резервирование с постоянно включенным резервом и целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 2 раза ( = 2262 час).

- Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом, , гамма процентная наработка увеличилась в 7 раза ( = час.).

- Общее резервирование с замещением с целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 4 раза ( = час.).

- Раздельное резервирование замещением с целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 8 раза ( =2,123 · час.).

результаты показали, что вероятность безотказной работы схемы в целом была увеличена с 0,624 до 0,99.

Использование данных методов повышения надежности представляется целесообразным для использования с экономической точки зрения.

В ходе работы были получены основные знания в теории надежности, получены практические применения повышения надежности методом резервирования и подбором более надежных элементов.

Список использованной литературы:

1. Надежность электронных устройств и элементов автоматики: учебное пособие / М.В.Лукьяненко, Н.П.Чурляева, Т.В.Ткачёва, Сиб.гос. аэрокосмический университет – Красноярск, 2006. – 94 с.

2. http://docs.cntd.ru/document/1200004984 - ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике (ССНТ).