共载冗余系统可靠性分析与优化设计

摘要

冗余技术是工程领域中为达到系统的可靠性目标而经常采用的主要手段之一，如何准确的预计、评估、分析冗余系统的可靠性便成为冗余设计的重中之重。传统的冗余系统可靠性理论忽略了系统各单元寿命之间的相互影响，认为其寿命是相互独立的，这种理论在分析共载冗余系统时必然会带来比较大的偏差，无法满足工程需要。目前共载冗余系统可靠性理论尚处于发展阶段，对于工程中实际存在的共载冗余系统，尚有许多问题亟待解决。为此，基于共载冗余系统可靠性分析与优化设计的工程需求，本文对共载冗余系统包含控制装置、系统中单元退化失效服从随机过程、系统包含共因失效等情况下的可靠性理论进行研究，并分析了包含共载冗余分系统的串-并联系统的优化设计问题。论文主要内容与结论包括如下几个方面：
　　1.建立了考虑控制装置的共载冗余系统的可靠性模型
　　(1)针对不可修系统各单元寿命服从指数分布的情况，对于控制装置具有恒定失效率和恒定可靠度的情况，根据齐次马尔可夫过程特性分别给出了可靠性模型表达式，对于控制装置服从一般寿命分布的情形，建立了系统可靠性的Monte Carlo仿真算法；
　　(2)对于不可修系统各单元寿命服从一般分布的情形，运用事件空间法，根据全概率理论、条件概率理论和等效累积失效概率理论，建立了系统可靠性模型，并给出了Monte Carlo仿真算法；通过在某排水系统算例的应用验证了上述两个模型的合理性和仿真算法的有效性；
　　(3)对于各单元寿命和维修时间均服从指数分布的可修系统，绘出系统状态转移图，根据马尔可夫链数值计算方法计算系统的瞬态可靠性特征量，通过在某电压源换流阀系统算例的应用验证了模型的合理性。
　　2.建立了单元退化失效为随机过程的共载冗余系统的可靠性模型
　　分别针对单元退化失效服从Gamma过程或Wiener过程的系统，根据Gamma过程或 Wiener过程的独立增量特性，运用事件空间法，分别建立了系统可靠性模型，并给出了系统可靠性的Monte Carlo仿真算法。最后，分别以三角带传动系统和风机通风系统为例，验证了所提出模型的合理性和仿真算法的有效性。
　　3.建立了考虑共因失效的共载冗余系统的可靠性模型
　　(1)针对系统各单元寿命服从指数分布的情况，基于β因子模型，根据齐次马尔可夫过程特性给出了可靠性模型的表达式；基于二项失效率(BFR)模型，绘出系统状态转移图，通过马尔可夫链数值计算方法求解系统可靠性；
　　(2)针对各单元寿命服从一般分布的情形，基于β因子模型，根据事件空间法给出了可靠性模型的表达式，并给出Monte Carlo仿真算法；基于二项失效率(BFR)模型，给出了系统可靠性的Monte Carlo仿真算法；
　　最后以某锂离子电池组成的电源系统为例，分别验证了所提模型的合理性和仿真算法的有效性。
　　4.对包含共载冗余分系统的系统进行可靠性优化设计
　　(1)根据对多个时刻可靠度要求建立了串-并联系统冗余分配优化模型，包括分系统中部件同类型的串-并联系统和分系统中部件不同类型的串-并联系统；
　　(2)根据共载冗余分系统可靠性模型的特点，对1阶邻域启发式算法和遗传算法进行了研究，然后通过算例分析表明了优化模型的全面性及优化算法的有效性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 可靠性分析基础

1.3共载冗余系统可靠性分析及优化设计现状研究

1.4 问题的提出

1.5 本文内容及结构安排

第二章 共载冗余系统可靠性建模

2.1 引言

2.2 单元寿命服从指数分布时不可修系统的可靠性模型

2.3 单元寿命服从一般分布时不可修系统的可靠性模型

2.4 单元寿命服从指数分布时可修系统的可靠性模型

2.5 本章小结

第三章 基于随机退化过程的共载冗余系统可靠性建模

3.1 引言

3.2 随机过程及产品的寿命分布

3.3 单元服从Gamma退化过程时系统的可靠性模型

3.4 单元服从Wiener退化过程时系统的可靠性模型

3.5 本章小结

第四章 考虑共因失效的共载冗余系统可靠性建模

4.1 引言

4.2 共因失效参数模型

4.3 单元寿命服从指数分布时系统的可靠性模型

4.4 单元寿命服从一般分布时系统的可靠性模型

4.5 本章小结

第五章 包含共载冗余分系统的系统可靠性优化设计

5.1 引言

5.2 系统可靠性优化设计模型

5.3 优化算法

5.4 算例分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 进一步研究的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

声明