Устройство для статистическогомоделирования процессов эксплу-атации систем управления

ОП ИСАНИ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 25.1078 21) 26785718-24 с присоединением заявки Нов 1 осударстве нный комитет СССР по релам изобретеиий и открытий.325(088.8) Дата опубликования описания 17. 02. 81(71) Заявите 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ат 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 эксплуатации 111.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 сисем, содержащий приборы для программного управления изменения температуры, синхронизатор, блок задания значений температур, барокамеру, мо дель исследуемой системы 21 .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 экс плуатации, состоящее из двух генер торов 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 фор мирователей, а вьпсод - ко входу блока селекции, вход статистическог анализатора соединен с выходом блока селекции, блок фиксации отказов подключен ко второму выходу блока селекции, выход соединен со вторым входом блока вероятностных преобразователей, первый вход которого сое динен с блоком управления31 .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: влажностии температуры. Без учета этих факторов эксплуатации результаты статистического модели 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 воздей 60 Цель изобретения - повышение точности и достоверносги статистического моделирования процессов эксплуатации систем управления.Для достижения поставленной цели в устройство для статистического моделирования процессов эксплуатации, содержащее многоканальный генератор 20 случайных процессов, выходы которого подключены ко входам блока преобразователей напряжения, модель системы, первый и второй входы которой подклю.чены соответственно к.выходу блока 25 моделирования климатических воздействий и к первому выходу блока моделирования вибропроцессов, а выходы модели системы соединены со входами блока регистрации, выход которого З 0 соединен с первым входом статистического 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 40 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 моделирования 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 10моделирования вибропроцессов.Выходы генератора 1 подключеныко входу блока 2 преобразователей,выходы которого соединены со входомблока 3 пороговых элементов, Первыйвыход блока 3 пороговых элементовподключен к модели 4 системы, второй - ко входу коммутатора 8, а третий - ко входу коммутатора 9. Выходмодели 4 системы соединен со входомблока 5 регистрации, выход которогоподключен к первому входу статистического анализатора 6, второй входанализатора б соединен с выходри коммутатора 8, а третий - с выходомблока 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 второмуи третьему входам модели 4 системы.Блок 1 является многоканальнымгенератором стационарйых случайныхпроцессов в виде электрических напряжений. Стационарные, случайныепроцессы, число которых определяется разномерностью решаемой задачи, служат для Формирования.генерирования нестационарных случайныхпроцессов, имитирующих старение,износ и разрегулирование системы.При генерировании нестационарныхслучайных процессов в блоке 2 используются пары случайных величин - мгновенные амплитудные значения стационарных случайных напряжений, вырабатываемых генератором 1. При этомв зависимости от конкретной решаемойзадачи могут выбираться либо амплитудные значения одного случайногопроцесса, либо разных. Причем одноиз них служит для моделирования случайного начального значения параметра п-го элемента, а другое - длямоделирования скорости его измерения. Если между скоростью и начальным значением имеется корреляционная зависимость, то выбирается параслучайных мгновенных напряжений, принадлежащая одному случайному стационарному процессу.Величина коэффициента корреляциизадается интервалом между .Фиксируемыми мгновенными амплитудными напряжениями и зависит от шага срабатывания коммутатора, входящего в состав блока 2,На приведенной-диаграмме (см,фиг, 2использованы следующие обозначения: 044- мгновенные амплитудные значения наприения -го стационарного случайцого процесса; с дс - интервал корреляции между случайными напряжениями О и О 2заданное время моделирования;Ч - скорость изменения отдельной .реализации нестационарного случайного процесса старения -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 иоПользуются 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 элемен" тов системы или блоком преобразова- ф телей 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 пень износа одного из элементов.системы достигает предельного заданного заранее значения и йроизводится замена элемента. Это требует прерывания процесса моделирования вибра-ционных.или климатических воздействий на систему в течение времени ремонта. В 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 менты имеют по два входа и одному выходу; на первые входы подаются сравниваемые. напряжения с выхода блока 2 преобразователей, а На втОрые вхОДЫ- пороговые 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 система,.Блок 5 регистрации содержит схемы сравнения физических параметровсистемы, например амплитудные, час 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 б.На первый и второй входы анализатора Б подаются управляющие сигналы со вторых выходов коммутатора8 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 определенномрежиме функционирования,Блоки 8 и 9 служат для заданиярежимов климатических воздействийи вибраций.Модель 4 системы может представлять собой аовокупиость электронных,эжктромеханических, оптоэлектронныхи т.п. макетов элементов исследуемьж систем. Жакеты соединяются междувобой в-соответствии со структуройсистемы. Изменение определяющих параметров макетов производится с помощью блока 2 Формирования реализаций случайных процессов изменениясвойств элементов систем. Модель4 жестко .укрепляется на платформевибростенда, который помещаетсяв термобарокамеру, Законы и диапазоны изменения частот, время цикловкачания частот, количество циклови поддиапазонов, величины ускорений, формы ударных импульсов, а также величины темперутур, относительной влажности, атмосферного давленияи пределы из изменений задаются спомощью блоков 10 и 7 соответственно .Статистический анализатор 6 служит для автоматический обработкирезультатов вероятностного моделирования процессов эксплуатации системуправления. В его состав могут входить построители экспериментальныхраспределений значений наработкисистем до отказа, вычислители характеристик законов распределений:математических ожиданий, среднихквадратических отклонений, медиани др.Блок 7 моделирования климатических воздействий содержит типовое оборудование: компрессоры низкого ивысокого давления, испаритель, охладитель, конденсатор, вентилятор,холодильную камеру. С помощью этогооборудования по заданной программес помощью коммутатора 8 осуществляется управление параметрами климатических воздействий на исследуемусистему.Выбор и смена программ управления параметрами вибраций и ускОрений выполняются по командам от блокаселекции.Блок 10 моделирования вибропроцессов содержит электромагнитныйрезонансный вибростенд, монтажнуюраму, ускоритель, электромагнитныевибраторы, опоры, амортизаторы. ВибЛинейно 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 тирующее изменение определяющих параметров элементов, превысит установ ленный в блоке 3 порог, то по первому и третьему выходам сигналы измерения режимов моделирования посту-; 4 пают на входы коммутаторов 8 и 9. В моменты временипоступления таких сигналов изменяются режимы моделирования внешних воздействий. Этиизменения заключаются либо в прекра-.щении имитации вибраций, ускорений,температурных воздействий на модель системы, либо в изменении уровней м иитенсивностей внешних воздействмй. Характер указаннык изменений зависит от особенностей моделироваюьк 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- . 15 ные значения случайных напряжений служат для формирования реализаций нестационариых случайных процессов старения. элементов системы, Для каж- дой реализации используются в общем щ случае два коррелированных амплитудных значения напряжения. Согласно Фиг. 2 одно из этик значений случайного напряжения Щ 4 является начальным значением определяющего параметра -го элемента, а другое 0 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 давления могут изменяться в ходе моделирования по определенным детерминированным или статическим законам,отражающим реальные процессы эксплуатации систем управления.Исходные данные о таких процессахобычно известны по результатам натурных испытаний аналогичных систем;они могут также обоснованно задаваться с учетом специфики использованиясистем управления в новых режимах.На второй вход модели 4 системыподаются сигналы, имитирующие климатические воздействия, в том числе:температуру, давление, влажность.На третий вход модели 4 системы поступают сигналы с выхода блока 10моделирования вибропроцессов.Нарушения работоспособности исследуемой системы - выход ее определяющих параметров за границы допустимых значений - фиксируются вблоке 5 регистрации, Информация онарушениях 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 изменениирежимов моделирования. По этим сигналам с помощью известных алгоритмов и схемных реализаций вычисляются такие характеристики надежностии качества Функционирования системуправления, 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 полноучитываются реальные явления, имеющиеместо при эксплуатации систем управления, а именно; случайные процессыстарения, износа, разрегулирования,вибрационные и ударные нагрузки, климатические воздействия (температура,влажность , давление). Этим обеспечивается значительный технико-эконсщический эффект при примененииустройства: в 5-6 раз сокращаютсятрудозатраты 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 иг. Формула изобретения Устройство для статистическогомоделирования 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 подключенк первому выходу второго коммутатора,второй выход которого соединен со входом блока моделирования вибропроцессов, второй выход которого соединен со вторым входом статистического р анализатора, третий вход которогосоединен с первым выходом первого коммутатора, второй выход которого соединен со входом блока моделирования климатических воздействий. 3 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР, Р 200249, кл. 6 06 Г 15/36, 1965.2. Авторское свидетельство СССР2 О 9 227649, кл. 6 01 И 1/00, 1966.3. Авторское свидетельство СССРР 237987, кл. Н 02 М 5/458, 1976(прототип) с ВНИИПИ Заказ 10904/ Тираж 756 Подписное Филиал ППП "Патент",г.ужгород,ул.Проектная,4