устройство для определения оптимального периода технического обслуживания изделия

Формула изобретения

Устройство для определения оптимального периода технического обслуживания изделия, содержащее датчик времени, выход которого подключен к первому входу первого вычитателя, второй вход которого объединен с первыми входами первого блока умножения и первого блока деления и соединен с выходом интегратора, первый сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления и с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого блока умножения, второй вход которого является первым входом устройства, выход второго сумматора подключен к первому входу второго блока деления, второй вход которого является вторым входом устройства, выход блока нелинейности соединен с входом интегратора, выход блока нелинейности подключен к входу интегратора и к первому входу второго блока умножения, второй вход которого является третьим входом устройства, выход третьего блока умножения подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, первый вход которого является четвертым входом устройства, а второй вход четвертого блока умножения подключен к выходу первого вычитателя, третий вход первого сумматора соединен с выходом пятого блока умножения, первый вход которого является пятым входом устройства, выход второго блока деления подключен к первому входу шестого блока умножения, второй и третий вычитатели, выход элемента задержки соединен с первым входом компаратора, выход которого подключен к первому входу первого, второго, третьего и четвертого ключей, выходы которых являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства, второй вход первого ключа соединен с выходом датчика времени, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства за счет учета коэффициента готовности и среднего значения непроизводительного расхода ресурса, в него введены седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый блоки умножения, третий сумматор, третий блок деления и пятый ключ, выход которого является пятым выходом устройства, выход датчика времени подключен к первому входу третьего сумматора и к первому входу седьмого блока умножения, второй вход которого является шестым входом устройства, выход седьмого блока умножения соединен с входом блока нелинейности, выход которого подключен к первому входу второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом шестого блока умножения и с первым входом восьмого блока умножения, выход которого подключен к вторым входам пятого блока умножения и третьего сумматора, третий вход которого объединен с первым входом девятого блока умножения и является седьмым выходом устройства, выход девятого блока умножения подключен к четвертому входу первого сумматора, второй выход второго блока умножения соединен с первым входом третьего блока умножения, с четвертым входом третьего сумматора, выход которого подключен к первому входу третьего блока деления, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход к второму входу второго ключа и к первому входу десятого блока умножения, второй вход которого является восьмым входом устройства, выход первого блока деления соединен с вторым входом третьего ключа и с первым входом двенадцатого блока умножения, второй вход которого является девятым входом устройства, а выход подключен к первому входу третьего вычитателя, второй вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а выход с входом элемента задержки и с вторым входом компаратора, выход которого подключен к первому входу пятого ключа, второй вход которого соединен с выходом шестого блока умножения, выход второго блока деления подключен к первому входу одиннадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход с вторым входом четвертого ключа, вторые входы второго вычитателя, восьмого, девятого и третьего блоков умножения являются соответственно десятым, одиннадцатым и двенадцатым входами устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к контрольным устройствам, и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется находить оптимальный период контроля и технического обслуживания удельного непроизводительного расхода ресурса в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе его эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет определения оптимального периода обслуживания изделия с учетом коэффициента готовности и среднего значения удельного непроизводительного расхода ресурса.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик времени, выход которого подключен к первому входу первого вычитателя, второй вход которого объединен с первыми входами первого блока умножения и первого блока деления и соединен с выходом интегратора, первый сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления и с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого блока умножения, второй вход которого является первым входом устройства, выход второго сумматора подключен к первому входу второго блока деления, второй вход которого является вторым входом устройства, выход блока нелинейности соединен с входом интегратора и с первым входом второго блока умножения, второй вход которого является третьим входом устройства, выход третьего блока умножения подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, первый вход которого является четвертым входом устройства, а второй вход четвертого блока умножения подключен к выходу первого вычитателя, третий вход первого сумматора соединен с выходом пятого блока умножения, первый вход которого является пятым входом устройства, выход второго блока деления подключен к первому входу шестого блока умножения, второй и третий вычитатели, выход элемента задержки соединен с первым входом компаратора, выход которого подключен к первому входу первого, второго, третьего и четвертого ключей, выходы которых являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства, второй вход первого ключа соединен с выходом датчика времени, введены седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый блоки умножения, третий сумматор, третий блок деления и пятый ключ, выход которого является пятым выходом устройства, выход датчика времени подключен к первому входу третьего сумматора и к первому входу седьмого блока умножения, второй вход которого является шестым входом устройства, выход седьмого блока умножения соединен с входом блока нелинейности, выход которого подключен к первому входу второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом шестого блока умножения и с первым входом восьмого блока умножения, выход которого подключен к вторым входам пятого блока умножения и третьего сумматора, третий вход которого объединен с первым входом девятого блока умножения и является седьмым входом устройства, выход девятого блока умножения подключен к четвертому входу первого сумматора, второй выход второго блока умножения соединен с первым входом третьего блока умножения, с четвертым входом третьего сумматора, выход которого подключен к первому входу третьего блока деления, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход к второму входу второго ключа и к первому входу десятого блока умножения, второй вход которого является восьмым входом устройства, выход первого блока деления соединен с вторым входом третьего ключа и с первым входом двенадцатого блока умножения, второй вход которого является девятым входом устройства, а выход подключен к первому входу третьего вычитателя, второй вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а выход с входом элемента задержки и с вторым входом компаратора, выход которого подключен к первому входу пятого ключа, второй вход которого соединен с выходом шестого блока умножения, выход второго блока деления подключен к первому входу одиннадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход с вторым входом четвертого ключа, вторые входы второго вычитателя, восьмого, девятого и третьего блоков умножения являются соответственно десятым, одиннадцатым и двенадцатым входами устройства.

Блок нелинейности содержит интегрирующий усилитель и управляемый элемент, управляющий вход которого является входом блока нелинейности, а выход соединен с входом интегрирующего усилителя, выход которого является выходом блока нелинейности и соединен с информационным входом управляемого элемента.

Анализ научно-технической литературы и патентной документации показал, что технические решения, содержащие совокупность признаков, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, отсутствуют. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Изделие представляет собой техническую систему, обладающую ресурсами, которые расходуются в процессе эксплуатации этого изделия. Запас ресурсов ограничен и не пополняется в процессе эксплуатации изделия. К таким ресурсам могут быть отнесены: запасы электрической энергии, топлива, ресурсы жизнеобеспечения, надежностные ресурсы приборов, аппаратуры и т.д. Скорость расходования материальных ресурсов может изменяться при изменении технического состояния изделия.

Для поддержания аппаратуры в работоспособном состоянии осуществляется периодическое обслуживание изделия. Период обслуживания является важнейшим параметром стратегии обслуживания. Уменьшение периода обслуживания изделия, с одной стороны, увеличивает возможность раннего обнаружения и устранения отказа, а, с другой стороны, повышает непроизводительный расход ресурса, связанный с проведением операций обслуживания, что сокращает долю ресурса, которая может быть использована на выполнение целевой задачи. Увеличение же периода обслуживания изделия способствует сокращению расхода ресурса на операции обслуживания. Но при этом возрастает опасность длительного пребывания изделия в состоянии отказа, что, во-первых, снижает готовность изделия к выполнению целевых задач и, во-вторых, приводит к увеличению непроизводительного расхода ресурса. В связи с этим, существует некоторый оптимальный период обслуживания изделия, обеспечивающий рациональный расход ресурса и необходимую готовность изделия к применению по назначению.

Важной характеристикой готовности изделия является коэффициент готовности, который может быть определен как



где _ц среднее значение времени между двумя последовательными сеансами проведения технического обслуживания изделия;

среднее время работоспособного состояния изделия между сеансами обслуживания.

В процессе функционирования изделие может находиться в работоспособном состоянии, состоянии скрытого отказа, контроля, плановой предупредительной профилактики и восстановления работоспособности. В связи с этим средняя длительность цикла обслуживания будет



где P_(t) вероятность безотказной работы на интервале между сеансами обслуживания; _п средне время нахождения изделия в состоянии плановой предупредительной профилактики; _к среднее время нахождения изделия в состоянии контроля; _в среднее время восстановления работоспособности; среднее время нахождения изделия в состоянии скрытого отказа.

Обслуживание изделия осуществляется только в плановые сеансы. Интервал времени между этими сеансами это период обслуживания и его значение составляет



Среднее время работоспособного состояния на периоде обслуживания определим по формуле



Подставив (2), (3), (4) в (1) получим



Функция K_г(), как показали исследования, существенно зависит от обслуживания изделия. Причем в случае _ 0 и _ , K_г(), а при некотором значении 0<^*< достигает своего максимума.

Для рассмотрения зависимости расхода материального ресурса от периода обслуживания изделия, введем:

С_ф средний расход ресурса в единицу времени при нахождении изделия в работоспособном состоянии; С_o средний расход ресурса в единицу времени при нахождении изделия в состоянии отказа; R_к среднее значение расхода ресурса за время, при котором изделие находится в состоянии контроля; R_ц среднее значение расхода ресурса изделия за время _ц;; С_п средний расход ресурса в единицу времени при нахождении изделия в состоянии плановой предупредительной профилактики; С_в средний расход ресурса в единицу времени при нахождении изделия в состоянии восстановления работоспособности.

Тогда имеет место балансное соотношение



где R_к вычисляется так: R_к=C_кк

Ресурс, расходуемый при нахождении изделия в состоянии скрытого отказа и во время проведения операций обслуживания (контроля работоспособности, плановой предупредительной профилактики и восстановления работоспособности), будем называть непроизводительно расходуемым ресурсом, формула определения которого выглядит так



Важным показателем качества функционирования изделия, наряду с коэффициентом готовности, является С_уд средний удельный непроизводительный расход ресурса изделия. Его значение будем определять как



Средний удельный непроизводительный расход ресурса изделия является функцией от периода и при некотором ^* оптимальном значении периода достигает минимального значения.

В связи с предложенным задача поиска оптимального периода обслуживания изделия представляется как двухкритериальная, т.е.

Эту задачу можно свести к однокритериальной так

f()=K_г()-C_уд(), (10)

где и весовые коэффициенты.

Тогда задача поиска ^* может быть записана следующим образом:



Следует отметить, что и K_г() и C_уд() существенно зависят от интенсивности отказов изделия. При этом увеличение интенсивности приводит к возрастанию непроизводительного расхода ресурса, к снижению коэффициента готовности, а оптимальный период обслуживания смещается в сторону меньших значений.

Поскольку интенсивность отказов изделия возрастает во времени, то на различных этапах его функционирования оптимальное значение периода обслуживания необходимо определять с учетом этих изменений.

В связи с этим, вероятность безотказной работы P_(t) в соотношениях (2), (4), (5), (6), (8), используемых в задаче (11), будет иметь вид



где t время; K коэффициент наклона функций; (t) интенсивности отказов.

Наряду с этим, важной задачей является определение времени функционирования изделия на заданном ресурсе и обеспечение требуемой надежности изделия при известной стратегии обслуживания.

Время Т^* функционирования изделия на заданном ресурсе найдем следующим образом:

T^*=N()_ц, (13)

где N() число циклов обслуживания за время функционирования изделия на ресурсе R.

Значение величины N() будем находить как отношение заданного ресурса R к заданию ресурса, расходуемого на одном цикле обслуживания изделия, т.е.

Подставляя (2) и (14) в (13), получим



Одним из путей обеспечения надежности изделия является резервирование. В связи с этим требуется знать число резервных элементов, необходимых для безотказного функционирования изделия в процессе эксплуатации. Число резервных элементов найдем из соотношения



Данная математическая модель нахождения оптимального периода обслуживания изделия, значения удельного непроизводительного расхода ресурса, коэффициента готовности, времени T^* функционирования изделия аппаратурно с помощью предлагаемого устройства.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 нелинейности, первый 2 и второй 3 блоки умножения, интегратор 4, первый вычитатель 5, таймер 6, третий блок 7 умножения, первый 8 и второй 9 сумматоры, элемент 10 задержки, компаратор 11, четвертый блок 12 умножения, первый 13 и второй 14 блоки деления, первый 15, второй 16 и третий 17 ключи, второй вычитатель 18, пятый блок 19 умножения, третий блок 20 деления, шестой 21, седьмой 22, восьмой 23 и девятый 24 блоки умножения, третий сумматор 25, десятый 26 и одиннадцатый 27 блоки умножения, третий вычитатель 28, двенадцатый блок 29 умножения, четвертый 30 и пятый 31 ключи.

Таймер представляет собой генератор линейно изменяющегося напряжения.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства вступает в работ таймер 6 и на его выходе формируется сигнал U>_вых(t) t, поступающий на первый вход седьмого блока умножения 22, на второй вход которого поступает значение параметра К. Значение сигнала U_вх(t), поступающее с выхода седьмого блока умножения 22 на вход блока нелинейности, определяет коэффициент обратной связи в схеме 3 4 2 [4, с. 107] В результате, на выходе блока нелинейности формируется сигнал . С третьего входа устройства на второй вход второго блокам умножения 3 поступает значение параметра _п. С первого входа устройства на второй вход первого блока умножения 2 поступает значение параметра С_ф. С второго входа устройства на второй вход второго блока деления 14 поступает значение параметра _п. С четвертого входа устройства на первый вход четвертого блока умножения 12 поступает значение параметра С_o. С пятого входа устройства на первый вход пятого блока умножения 19 поступает значение параметра С_в. С шестого входа устройства на второй вход седьмого блока умножения 22 поступает значение параметра К. С седьмого входа устройства на первый вход девятого блока умножения 24 и на третий вход третьего сумматора 25 поступает значение параметра _к. С восьмого входа устройства на второй вход десятого блока умножения 26 поступает значение параметра . С девятого входа устройства на второй вход двенадцатого блока умножения 29 поступает значение параметра b. С десятого входа устройства на второй вход восьмого блока умножения 23 поступает значение параметра t_в. С одиннадцатого входа устройства на второй вход девятого блока умножения 24 поступает значение параметра С_к. С двенадцатого входа устройства на второй вход третьего блока умножения 7 поступает значение параметра С_п. Значение сигнала t с выхода таймера 6 поступает на первый вход седьмого блока умножения 22, на второй вход первого ключа 15, на первый вход первого вычитателя 5 и на первый вход третьего сумматора 25. С выхода седьмого блока умножения 22 сигнал t/к поступает на вход блока нелинейности 1, с выхода которого сигнал поступает на первый вход второго вычитателя 18, на первый вход второго блока умножения 3 и через интегратор 4 на второй вход первого вычитателя 5, на первый вход первого блока умножения 2, на первый вход первого блока деления 13 и на второй вход третьего блока деления 20. На второй вход вычитателя 18 поступает единичное значение сигнала. Сигнал 1 P_(t) с выхода второго вычитателя 18 поступает на первый вход восьмого блока умножения 23 и на второй вход шестого блока умножения 21. Сигнал с выхода первого вычитателя 5 поступает на второй вход четвертого блока умножения 12. Сигнал _в[1-p(t)] с выхода восьмого блока умножения 23 поступает на второй вход пятого блока умножения 19 и на второй вход третьего сумматора 25. Сигнал _пp() с выхода второго блока умножения 3 поступает на четвертый вход третьего сумматора 25 и на первый вход третьего блока умножения 7. Сигнал C_вв[1-p(t)] с выхода пятого блока умножения 19 поступает на третий вход первого сумматора 8. Сигнал C_ппp(t) с выхода третьего блока умножения 7 поступает на первый вход первого сумматора 8. Сигнал с выхода четвертого блока умножения 12 поступает на второй вход первого сумматора 8. Сигнал с выхода первого блока умножения 2 поступает на второй вход второго сумматора 9. Сигнал C_кк с выхода девятого блока умножения 24 поступает на четвертый вход первого сумматора 8. Значение t_ц=t+_к+_пp(t)+_в[1-p(t)] с выхода третьего сумматора 25 поступает на первый вход третьего блока деления 20 и на второй вход одиннадцатого блока умножения 27. Значение сигнала с выхода первого сумматора 8 поступает на второй вход первого блока деления 13 и на первый вход второго сумматора 9. Значение сигнала с выхода первого блока деления 13 поступает на второй вход третьего ключа 17 и на первый вход двенадцатого блока умножения 29, с выхода которого сигнал C_уд(t) поступает на первый вход третьего вычитателя 28. Сигнал с выхода третьего блока деления 20 поступает на второй вход второго ключа 16 и на первый вход десятого блока умножения 26, с выхода которого сигнал K_г(t) поступает на второй вход третьего вычитателя 28. Сигнал f(t)=K_г(t)-C_уд(t) поступает на второй вход компаратора 11 и через элемент задержки 10 поступает на первый вход компаратора 11. Значение сигнала



с выхода второго сумматора 9 поступает на первый вход второго блока деления 14. Сигнал с выхода второго блока деления поступает на первый вход одиннадцатого блока умножения 27 и на первый вход шестого блока умножения 21, с выхода которого значение сигнала поступает на второй вход пятого ключа 31. Значение сигнала T=N(t)(+_к+_пp(t)+_в[1-p(t)] с выхода одиннадцатого блока умножения 27 поступает на второй вход четвертого ключа 30. Элемент задержки имеет время задержки t, В компараторе 11 сравниваются между собой два сигнала f(t-t). Вначале f(t^*) f(t-t). Как только, в момент времени t^* f(t^*) станет меньше f(t^*-t) на выходе компаратора 11 появится управляющий сигнал, который свидетельствует о том, что найдены искомые величины. Этот сигнал поступает на первые входы ключей 15, 16, 17, 30 и 31. В результате на первом выходе устройства будет значение t^*=^* оптимального периода технического обслуживания изделия, на втором выходе - значение K_г(^*) коэффициента готовности изделия, на третьем выходе значение C_уд(^*) удельного непроизводительного расхода ресурса при обслуживании оптимальным периодом ^*, на четвертом выходе будет значение T^* времени функционирования изделия на заданном ресурсе и на пятом выходе устройства будет значение среднего значения числа резервных элементов, необходимых для эксплуатации изделия при заданном ресурсе R. На этом работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который дает изобретение состоит в том, что оно позволяет определить оптимальный период технического обслуживания изделия, обеспечивающий максимально возможное значение коэффициента готовности изделия и минимально возможное значение удельного непроизводительного расхода ресурса в зависимости от требований, предъявляемых к функционированию изделия. Также оно позволяет определять в этих условиях среднее значение числа резервных элементов, необходимых для функционирования изделия на заданном ресурсе и времени T^* функционирования изделия на этом же ресурсе R. При определении искомых величин учитывается старение составляющих элементов изделия, когда интенсивности отказов их увеличивается. Все это позволяет повысить эффективность эксплуатации изделия.