Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Видео:Химические уравнения - Как составлять уравнения реакций // Составление Уравнений Химических РеакцийСкачать

Химические уравнения - Как составлять уравнения реакций // Составление Уравнений Химических Реакций

Расчет показателей надежности для структуры с восстановлением и резервированием. Методом Колмогорова

Рисунок 11 — Граф состояний для системы с восстановлением и резервированием

1 – Система исправна;

2 – Отказал один из датчиков;

3 – Отказал регулятор;

4 – Отказало одно из исполнительных устройств;

5 – Система неисправна.

Интенсивности отказа для блоков:

Интенсивность отказа блока датчиков

Интенсивность отказа блока контроллера

Интенсивность отказа блока исполнительного устройства

λ3 = 2*8 ∙10 -5 час -1

Интенсивность восстановления датчиков

Интенсивность восстановления контроллера

Интенсивность восстановления исполнительного устройства

Система дифференциальных уравнений по Колмогорову

Для решения системы уравнений используем преобразование Лапласа.

Итак, по Лапласу:

Решая систему уравнений, получаем следующее:

часов.

Расчет коэффициента готовности.

Для расчета коэффициента готовности граф состояний будет выглядеть следующим образом.

Рисунок 13 — Граф состояний для системы с восстановлением.

Система дифференциальных уравнений по Колмогорову:

Уравнения Колмогорова в статике:

Решая систему уравнений получаем следующее:

Р5 = 5,0349248054*10 -8

КГ = 1— Р5 = 1—6,2341*10 -7 = 0,9999999496

Полученные значения сверяются с результатом расчета на ЭВМ с помощью программы PSA12.exe.

Расчет показателей надежности для структуры без восстановления и с резервированием. Методом Колмогорова.

Интенсивность восстановления равна нулю

Рисунок 14 — Граф состояний для структуры без восстановления с резервированием

Система дифференциальных уравнений по Колмогорову:

Для решения системы уравнений используем преобразование Лапласа.

Итак, по Лапласу:

Решая систему уравнений, получаем следующее:

24450ч.

Рисунок 15 — Функция готовности для системы с резервированием без восстановления

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Расчет коэффициента готовности

Уравнения Колмогорова в статике

Система при выходит из строя.

Расчет коэффициента оперативной готовности (при условии контроля состояния элементов с периодом 0,1t).

Находим суммарное значение λ:

λ сист = 0.0003218 час — 1

Для всей системы:

*

Список литературы

1. Кафаров В.В. и др. Обеспечение и методы оптимизации надежности химических и нефтепереабатывающих производств. –М: Химия. 1989.

2. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. -М: ВШ. 1977.- 160 с.

3. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. -М.: Энергоатомиздат. 1989.-264с.

4. Глазунов Л.П. и др. Основы теории надежности автоматических систем управления. -Л.: Энергоатомиздат. ЛО. 1984. -208 с.

5. Мозгалевский А.В., Калявин В.П. Системы диагностирования судового оборудования. -Л.: Судостроение. 1987. -224 с. /Учебное пособие.

6. Веревкин А.П. Лекции по курсу диагностика и надежность автоматизированных систем управлениядля специальности 210200 – Автоматизация технологических процессов и производств.-Уфа:УГНТУ. 2004.-70с.

1. Балакирев В.С., Софиев А.Э. Применение средств пневмо- и гидроавтоматики в химических производствах. — .М.: Химия. 1984. -192 с.

2. Автомян И.О. и др. Надежность автоматизированных систем управления./Под ред. Я.А. Хетагурова. -М.: В11.1. 1979. -287 с.

3. Палюх Б.В. и др. Надежность систем управления химическими процессами. — М.: Химия. 1987. -178 с.

4. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). Аналитические методы оценки надежности. РТМ 25 376-80.

5. Белов Ю.К. и др. Надежность технически систем. Справочник. /Под ред. И.А. Ушакова. -М.: Радио и связь. 1985. -608 с.

Приложение А. Варианты примеров фрагментов АТК

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Приложение B. Варианты тем для литературного обзора

1. «Схемы формирования отказов в системах автоматизации, управления и программно-технических средствах»

2. «Качественные и количественные показатели надежности»

3. «Факторы, влияющие на надежность систем»

4. «Основные виды законов распределения случайных величин, используемые в теории надежности»

5. «Связь показателей надежности и показателей эффективности производства»

6. «Методы расчета надежности систем автоматизации как сложных систем»

7. «Виды резервирования. Временное, информационное, функциональное резервирование»

8. «Способы структурного резервирования и виды резерва»

9. «Основные методы расчета показателей надежности систем с резервированными элементами»

10. «Основные методы расчета показателей надежности резервированных систем с восстановлением»

11. «Обоснование и распределение требований к надежности элементов систем»

12. «Методы моделирования надежности систем автоматизации»

13. «Современные подходы к прогнозированию показателей надежности систем при ограниченной информации»

14. «Методы обеспечения надежности систем автоматизации при проектировании»

15. «Обеспечение надежности систем автоматизации при эксплуатации»

16. «Организация технического обслуживания систем автоматизации как метод обеспечения надежности»

17. «Диагностика исправности элементов автоматизированных технологических комплексов и методы защиты от последствий неисправностей»

18. «Классификация методов диагностики. Аппаратные методы диагностики»

19. «Программно-алгоритмические методы диагностики внезапных и функциональных отказов. Вопросы обеспечения заданных показателей»

20. «Алгоритмы диагностики и защиты и их реализация на контролерах»

21. «Методы повышения надежности и эффективности систем автоматизации»

22. «Методы построения алгоритмов поиска возникшего дефекта»

23. «Обеспечение надежности систем автоматизации при разработке»

Приложение С. Значения интенсивностей отказов и восстановлений

Видео:Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ. | МатематикаСкачать

Cистемы уравнений. Разбор задания 6 и 21 из ОГЭ.  | Математика

Уравнения Колмогорова. Финальные вероятности состояния СМО

Рассмотрим математическое описание марковского случайного процесса с дискретными состояниями системы S0, S1? S2 (см. рис. 5.2) и непрерывным временем. Полагаем, что все переходы системы массового обслуживания из состояния S, в состояние Sj происходят под воздействием простейших потоков событий с интенсивностями Хф а обратный переход — под воздействием другого потока. Введем обозначение рг как вероятность того, что в момент времени t система находится в состоянии Sj. Для любого момента времени t справедливо записать нормировочное условие — сумма вероятностей всех состояний равна единице:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Проведем анализ системы в момент времени t, задав малое приращение времени At, и найдем вероятность p<(t + АО того, что система в момент времени (t + At) будет находиться в состоянии S, которое достигается разными вариантами:

  • а) система в момент времени t с вероятностью р,-(?) находилась в состоянии S и за малое приращение времени так и не перешла в другое соседнее состояние — ни в So, ни в S2. Вывести систему из состояния Sj можно суммарным простейшим потоком с интенсивностью (А,ю + А,12), поскольку суперпозиция простейших потоков также является простейшим потоком. На этом основании вероятность выхода из состояния Sj за малый промежуток времени At. приближенно равна
  • (7i10 + Х12t. Тогда вероятность невыхода из этого состояния равна 11 — (А,10 + А,12)Д?|. В соответствии с этим вероятность того, что система останется в состоянии S, на основании теоремы умножения вероятностей равнаP(t)[ 1 — (А,10 + X2 )At];
  • б) система находилась в соседнем состоянии 50 и за малое время At перешла в состояние Переход системы происходит под воздействием потока A*oi с вероятностью, приближенно равной At. Вероятность того, что система будет находиться в состоянии S[, в этом варианте равна p0(?)^oi А?;
  • в) система находилась в состоянии S2 и за время At перешла в состояние S под воздействием потока интенсивностью %2 с вероятностью, приближенно равной Х2АL Вероятность того, что система будет находиться в состоянии 51? равна p2(t)2<At.

Применяя теорему сложения вероятностей для этих вариантов, получим выражение

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

которое можно записать иначе:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

При переходе к пределу при Д? —> 0 приближенные равенства перейдут в точные, и тогда получим производную первого порядка

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

что является дифференциальным уравнением.

Проводя рассуждения аналогичным образом для всех других состояний системы, получим систему дифференциальных уравнений, которые называются уравнениями А. Н. Колмогорова:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Для составления уравнений Колмогорова существуют общие правила.

Уравнения Колмогорова позволяют вычислить все вероятности состояний CMC) Si в функции времени p <t).В теории случайных процессов показано, что если число состояний системы конечно, а из каждого из них можно перейти в любое другое состояние, то существуют предельные (финальные) вероятности состояний, которые показывают на среднюю относительную величину времени пребывания системы в этом состоянии. Если предельная вероятность состояния So равна ро = 0,2, то, следовательно, в среднем 1/5 рабочего времени система находится в состоянии 50. Например, при отсутствии заявок на обслуживание k = 0,ро = 0,2, следовательно, в среднем 2 ч в день система находится в состоянии 50 и простаивает, если продолжительность рабочего дня составляет 10 ч.

Поскольку предельные вероятности системы постоянны, то, заменив в уравнениях Колмогорова соответствующие производные нулевыми значениями, получим систему линейных алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим СМО. Такую систему уравнений составляют по размеченному графу состояний СМО по следующим правилам: слева от знака равенства в уравнении стоит предельная вероятностьр, рассматриваемого состояния Sf умноженная на суммарную интенсивность всех потоков, выводящих (выходящие стрелки) из данного состояния 5, систему, а справа от знака равенства — сумма произведений интенсивности всех потоков, входящих (входящие стрелки) в состояние 5, систему, на вероятность тех состояний, из которых эти потоки исходят. Для решения подобной системы необходимо добавить еще одно уравнение, определяющее нормировочное условие, поскольку сумма вероятностей всех состояний СМО равна единице Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Например, для СМО, имеющей размеченный граф из трех состояний Sq, Si, S2 (рис. 5.2), система уравнений Колмогорова, составленная на основе изложенного правила, имеет следующий вид:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Пример 5.6. Составим систему уравнений Колмогорова в общем виде для случая, когда граф состояний имеет следующий вид (рис. 5.3).

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Плотность вероятностей этих переходов указана рядом с соответствующими стрелками. Пользуясь приведенными выше правилами, получаем систему уравнений:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

К этим уравнениям надо добавить еще начальные условия. Например, если при t = 0 система S находится в состоянии S, то начальные условия можно записать так:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Переходы между состояниями СМО происходят под воздействием поступления заявок и их обслуживания. Вероятность перехода в случае, если поток событий простейший, определяется вероятностью появления события в течение времени At, т.е. величиной элемента вероятности перехода XjjAt, где Ху — интенсивность потока событий, переводящих систему из состояния i в состояние j (по соответствующей стрелке на графе состояний).

Если все потоки событий, переводящие систему из одного состояния в другое, простейшие, то процесс, протекающий в системе, будет марковским случайным процессом, т.е. процессом без последствия. В этом случае поведение системы достаточно просто определяется, если известны интенсивность всех этих простейших потоков событий. Например, если в системе протекает марковский случайный процесс с непрерывным временем, то, записав систему уравнений Колмогорова для вероятностей состояний и проинтегрировав эту систему при заданных начальных условиях, получим все вероятности состояний как функции времени:

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Во многих случаях на практике оказывается, что вероятности состояний как функции времени ведут себя таким образом, что существует Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

независимо от вида начальных условий. В этом случае говорят, что существуют предельные вероятности состояний системы при t —? оо и в системе устанавливается некоторый предельный стационарный режим. При этом система случайным образом меняет свои состояния, но каждое из этих состояний осуществляется с некоторой постоянной вероятностью, определяемой средним временем пребывания системы в каждом из состояний.

Вычислить предельные вероятности состояния pt можно, если в системе положить все производные равными нулю, поскольку в уравнениях Колмогорова при t—>°° зависимость от времени пропадает. Тогда система дифференциальных уравнений превращается в систему обычных линейных алгебраических уравнений, которая вместе с нормировочным условием позволяет вычислить все предельные вероятности состояний.

Пример 5.7. Запишем систему алгебраических уравнений для вычисления предельных вероятностей состояний системы, изображенной на рис. 5.3.

Для этого допустим, что

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

тогда из записанной ранее в примере 5.6 системы уравнений Колмогорова получаем: Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

и, кроме того, мы должны учесть нормировочное условие

Алгоритмы составления уравнений колмогорова при анализе надежности сложных технических систем

Любое из уравнений записанной системы можно исключить, использовав вместо него нормировочное условие.

Видео:Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математикаСкачать

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математика

Уравнения Колмогорова.
Предельные вероятности состояний

Рассмотрим математическое описание марковского процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем* на примере случайного процесса из примера 1, граф которого изображен на рис. 1. Будем полагать, что все переходы системы из состояния в происходят под воздействием простейших потоков событий с интенсивностями ; так, переход системы из состояния в будет происходить под воздействием потока отказов первого узла, а обратный переход из состояния в — под воздействием потока «окончаний ремонтов» первого узла и т.п.

Граф состояний системы с проставленными у стрелок интенсивностями будем называть размеченным (см. рис. 1). Рассматриваемая система имеет четыре возможных состояния: .

Вероятностью i-го состояния называется вероятность того, что в момент система будет находиться в состоянии . Очевидно, что для любого момента сумма вероятностей всех состояний равна единице:

Рассмотрим систему в момент и, задав малый промежуток , найдем вероятность того, что система в момент будет находиться в состоянии . Это достигается разными способами.

1. Система в момент с вероятностью находилась в состоянии , а за время не вышла из него.

Вывести систему из этого состояния (см. граф на рис. 1) можно суммарным простейшим потоком с интенсивностью , т.е. в соответствии с формулой (7), с вероятностью, приближенно равной . А вероятность того, что система не выйдет из состояния , равна . Вероятность того, что система будет находиться в состоянии по первому способу (т.е. того, что находилась в состоянии и не выйдет из него за время ), равна по теореме умножения вероятностей:

2. Система в момент с вероятностями (или ) находилась в состоянии или и за время перешла в состояние .

Потоком интенсивностью (или — с- рис. 1) система перейдет в состояние с вероятностью, приближенно равной (или ). Вероятность того, что система будет находиться в состоянии по этому способу, равна (или ).

Применяя теорему сложения вероятностей, получим

Переходя к пределу при (приближенные равенства, связанные с применением формулы (7), перейдут в точные), получим в левой части уравнения производную (обозначим ее для простоты ):

Получили дифференциальное уравнение первого порядка, т.е. уравнение, содержащее как саму неизвестную функцию, так и ее производную первого порядка.

Рассуждая аналогично для других состояний системы , можно получить систему дифференциальных уравнений Колмогорова для вероятностей состояний:

Сформулируем правило составления уравнений Колмогорова . В левой части каждого из них стоит производная вероятности i-го состояния. В правой части — сумма произведений вероятностей всех состояний (из которых идут стрелки в данное состояние) на интенсивности соответствующих потоков событий, минус суммарная интенсивность всех потоков, выводящих систему из данного состояния, умноженная на вероятность данного (i-го состояния).

В системе (9) независимых уравнений на единицу меньше общего числа уравнений. Поэтому для решения системы необходимо добавить уравнение (8).

Особенность решения дифференциальных уравнений вообще состоит в том, что требуется задать так называемые начальные условия, т.е. в данном случае вероятности состояний системы в начальный момент . Так, например, систему уравнений (9) естественно решать при условии, что в начальный момент оба узла исправны и система находилась в состоянии , т.е. при начальных условиях .

Уравнения Колмогорова дают возможность найти все вероятности состояний как функции времени . Особый интерес представляют вероятности системы в предельном стационарном режиме , т.е. при , которые называются предельными (или финальными) вероятностями состояний.

В теории случайных процессов доказывается, что если число состояний системы конечно и из каждого из них можно (за конечное число шагов) перейти в любое другое состояние, то предельные вероятности существуют.

Предельная вероятность состояния имеет четкий смысл: она показывает среднее относительное время пребывания системы в этом состоянии . Например, если предельная вероятность состояния , т.е. , то это означает, что в среднем половину времени система находится в состоянии .

Так как предельные вероятности постоянны, то, заменяя в уравнениях Колмогорова их производные нулевыми значениями, получим систему линейных алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим. Для системы с графом состояний, изображенном на рис. 1), такая система уравнений имеет вид:

Систему (10) можно составить непосредственно по размеченному графу состояний, если руководствоваться правилом , согласно которому слева в уравнениях стоит предельная вероятность данного состояния , умноженная на суммарную интенсивность всех потоков, ведущих из данного состояния, а справа — сумма произведений интенсивностей всех потоков, входящих в i-е состояние, на вероятности тех состояний, из которых эти потоки исходят.

Пример 2. Найти предельные вероятности для системы из примера 1, граф состояний которой приведен на рис. 1, при

Решение. Система алгебраических уравнений, описывающих стационарный режим для данной системы, имеет вид (10) или

(Здесь мы вместо одного «лишнего» уравнения системы (10) записали нормировочное условие (8)).

Решив систему (11), получим , т.е. в предельном, стационарном режиме система в среднем 40% времени будет находиться в состоянии (оба узла исправны), 20% — в состоянии (первый узел ремонтируется, второй работает), 27% — в состоянии (второй узел ремонтируется, первый работает) и 13% времени — в состоянии (оба узла ремонтируются)

Пример 3. Найти средний чистый доход от эксплуатации в стационарном режиме системы в условиях примеров 1 и 2, если известно, что в единицу времени исправная работа первого и второго узлов приносит доход соответственно в 10 и 6 ден.ед., а их ремонт требует затрат соответственно в 4 и 2 ден.ед. Оценить экономическую эффективность имеющейся возможности уменьшения вдвое среднего времени ремонта каждого из двух узлов, если при этом придется вдвое увеличить затраты на ремонт каждого узла (в единицу времени).

Решение. Из примера 2 следует, что в среднем первый узел исправно работает долю времени, равную , а второй узел — . В то же время первый узел находится в ремонте в среднем долю времени, равную , а второй узел — . Поэтому средний чистый доход в единицу времени от эксплуатации системы, т.е. разность между доходами и затратами, равен

Уменьшение вдвое среднего времени ремонта каждого из узлов в соответствии с (6) будет означать увеличение вдвое интенсивностей потока «окончаний ремонтов» каждого узла, т.е. теперь и система линейных алгебраических уравнений (10), описывающая стационарный режим системы , вместе с нормировочным условием (8) примет вид:

Решив систему, получим .

Учитывая, что , а затраты на ремонт первого и второго узла составляют теперь соответственно 8 и 4 ден.ед., вычислим средний чистый доход в единицу времени:

Так как больше (примерно на 20%), то экономическая целесообразность ускорения ремонтов узлов очевидна.

Видео:Составление уравнений реакций горения. 11 класс.Скачать

Составление уравнений реакций горения. 11 класс.

Процесс гибели и размножения

В теории массового обслуживания широкое распространение имеет специальный класс случайных процессов — так называемый процесс гибели и размножения . Название этого процесса связано с рядом биологических задач, где он является математической моделью изменения численности биологических популяций.

Граф состояний процесса гибели и размножения имеет вид, показанный на рис. 4.

Рассмотрим упорядоченное множество состояний системы . Переходы могут осуществляться из любого состояния только в состояния с соседними номерами, т.е. из состояния возможны переходы только либо в состояние , либо в состояние .

Предположим, что все потоки событий, переводящие систему по стрелкам графа, простейшие с соответствующими интенсивностями или .

По графу, представленному на рис. 4, составим и решим алгебраические уравнения для предельных вероятностей состояний (их существование вытекает из возможности перехода из каждого состояния в каждое другое и конечности числа состояний).

В соответствии с правилом составления таких уравнений (см. 13) получим: для состояния

для состояния имеем , которое с учетом (12) приводится к виду

Аналогично, записывая уравнения для предельных вероятностей других состояний, можно получить следующую систему уравнений:

к которой добавляется нормировочное условие

При анализе численности популяций считают, что состояние соответствует численности популяции, равной , и переход системы из состояния в состояние происходит при рождении одного члена популяции, а переход в состояние — при гибели одного члена популяции.

Решая систему (14), (15), можно получить

Легко заметить, что в формулах (17) для коэффициенты при есть слагаемые, стоящие после единицы в формуле (16). Числители этих коэффициентов представляют произведение всех интенсивностей, стоящих у стрелок, ведущих слева направо до данного состояния , а знаменатели — произведение всех интенсивностей, стоящих у стрелок, ведущих справа налево до состояния .

Пример 4. Процесс гибели и размножения представлен графом (рис. 5). Найти предельные вероятности состояний.

📽️ Видео

Производная: секретные методы решения. Готовимся к ЕГЭ | Математика TutorOnlineСкачать

Производная: секретные методы решения. Готовимся к ЕГЭ | Математика TutorOnline

ПРОСТЕЙШИЙ способ решения Показательных УравненийСкачать

ПРОСТЕЙШИЙ способ решения Показательных Уравнений

Предельные вероятности состоянийСкачать

Предельные вероятности состояний

Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 класс

МЕТОД ПОДСТАНОВКИ 😉 СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ЧАСТЬ I#математика #егэ #огэ #shorts #профильныйегэСкачать

МЕТОД ПОДСТАНОВКИ 😉 СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ЧАСТЬ I#математика #егэ #огэ #shorts #профильныйегэ

Математический анализ, 16 урок, Исследование функции и построение графикаСкачать

Математический анализ, 16 урок, Исследование функции и построение графика

Расчеты по уравнениям химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

Расчеты по уравнениям химических реакций. 1 часть. 8 класс.

Математика это не ИсламСкачать

Математика это не Ислам

Как решать Диофантовы уравнения ★ 9x+13y=-1 ★ Решите уравнение в целых числахСкачать

Как решать Диофантовы уравнения ★ 9x+13y=-1 ★ Решите уравнение в целых числах

Установление эмпирической и молек. формул по массовым долям элем., входящих в состав в-ва. 10 класс.Скачать

Установление эмпирической и молек. формул по массовым долям элем., входящих в состав в-ва. 10 класс.

Математический анализ, 5 урок, Непрерывность функцииСкачать

Математический анализ, 5 урок, Непрерывность функции

Самый короткий тест на интеллект Задача Массачусетского профессораСкачать

Самый короткий тест на интеллект Задача Массачусетского профессора

Уравнение касательной в точке. Практическая часть. 1ч. 10 класс.Скачать

Уравнение касательной в точке. Практическая часть. 1ч. 10 класс.

Как решать уравнения с модулем или Математический торт с кремом (часть 1) | МатематикаСкачать

Как решать уравнения с модулем или Математический торт с кремом (часть 1) | Математика

11 класс, 27 урок, Общие методы решения уравненийСкачать

11 класс, 27 урок, Общие методы решения уравнений
Поделиться или сохранить к себе: