一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，首先根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的時(shí)序關(guān)系，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型；然后在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，即完成了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模。利用本發(fā)明提供的方法對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模，可以完整清晰實(shí)時(shí)地表達(dá)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，明確了系統(tǒng)各部件服役時(shí)間，避免了模糊性，可以有效地對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。
【專利說明】一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于系統(tǒng)工程可靠性分析領(lǐng)域，涉及一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002]1、隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)(產(chǎn)品)的集成度和復(fù)雜程度越來越高，由此導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性問題日顯突出，可靠性已成為衡量復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。
[0003]2、對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模時(shí)，各個(gè)部件狀態(tài)之間的時(shí)序和邏輯關(guān)系復(fù)雜，服役時(shí)間各不相同，對實(shí)時(shí)性要求比較高，這些都對模型的建立和修改造成了很大的困難。使用傳統(tǒng)的建模方法對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模比較困難，很難表達(dá)出復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件的服役時(shí)間的情況。
[0004]3,Petri網(wǎng)是一種圖形化的建模工具，由于它能精確地描述系統(tǒng)事件之間的順序、并發(fā)、同步等關(guān)系，比較適合描述復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，是系統(tǒng)建模分析的良好工具。
[0005]4、已有的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)建模方法，存在以下幾方面的缺陷:
[0006]I)傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建模方法僅僅建立了機(jī)電系統(tǒng)可靠性邏輯的Petri網(wǎng)模型，無法表現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程和系統(tǒng)各部件的服役時(shí)間，因此無法正確描述系統(tǒng)各部件故障發(fā)生的時(shí)間。
[0007]2)傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建模方法僅僅能夠描述機(jī)電系統(tǒng)各部件故障之間的傳遞，不能完整體現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行過程所實(shí)現(xiàn)的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，該方法能夠清晰的表達(dá)出復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的過程，滿足復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)建模在時(shí)間上的要求。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，包括以下步驟:
[0011]I)根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的時(shí)序關(guān)系，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型；
[0012]2)在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，即完成了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模。
[0013]在步驟I)中，根據(jù)功能-行為-狀態(tài)理論，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能映射為系統(tǒng)各部件的行為，再由系統(tǒng)各部件行為映射為系統(tǒng)在不同情況下所處的狀態(tài)。
[0014]所述的步驟I)中建立的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型描述的是系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程，不包含各部件的故障信息。
[0015]根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)的變化，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型，在建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型時(shí)，系統(tǒng)各部件所處的狀態(tài)用庫所表示，系統(tǒng)各部件工作過程用確定性時(shí)間變迀描述，系統(tǒng)各部件啟動(dòng)過程用瞬時(shí)變迀描述。
[0016]在步驟2)中，在各部件正常工作狀態(tài)庫所上添加該部件的故障狀態(tài)分支，完成復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件故障信息的添加。
[0017]復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件正常工作狀態(tài)到故障狀態(tài)過程用賦時(shí)變迀描述。
[0018]在完成基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真計(jì)算包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型的可靠性指標(biāo)。
[0019]用蒙特卡洛仿真計(jì)算復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中各部件隨時(shí)間變化的可靠度，進(jìn)而通過各部件的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間變化的可靠度。
[0020]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0021]本發(fā)明提供的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，首先根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的先后順序，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，表現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各部件的狀態(tài)及其變迀過程，完整清晰地表達(dá)出復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程和各部件之間的時(shí)序關(guān)系；然后在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，在各部件正常工作狀態(tài)上添加故障該部件的故障狀態(tài)分支，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，明確了系統(tǒng)各部件的服役時(shí)間，避免了模糊性。利用本發(fā)明提供的建模方法對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模，可以完整清晰實(shí)時(shí)地表達(dá)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，明確了系統(tǒng)各部件服役時(shí)間，避免了模糊性，可以有效地對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。
[0022]進(jìn)一步的，本發(fā)明在建立了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型后，可以利用蒙特卡洛仿真計(jì)算包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型的可靠性指標(biāo)，從而對本發(fā)明建立的模型進(jìn)行可靠性評價(jià)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為由機(jī)床主軸電機(jī)、伺服電機(jī)和滾珠絲杠組成的系統(tǒng)正常工作過程時(shí)的Petri網(wǎng)模型；
[0024]圖2為由機(jī)床主軸電機(jī)、伺服電機(jī)和滾珠絲杠組成的系統(tǒng)添加故障信息后的Petri網(wǎng)模型；
[0025]圖3為本發(fā)明提供的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法的流程圖。
[0026]其中:Pl?P12分別表示12個(gè)庫所，Tl?T5表示5個(gè)時(shí)間變迀，其含義分別為:Pl代表主軸電機(jī)靜止，P2代表主軸電機(jī)工作，P3代表伺服電機(jī)靜止，P4代表伺服電機(jī)工作，P5代表滾珠絲杠靜止，P6代表滾珠絲杠工作，P7代表伺服電機(jī)再次靜止，P8代表滾珠絲杠再次靜止，P9代表主軸電機(jī)再次靜止，PlO代表主軸電機(jī)故障，Pll代表伺服電機(jī)故障，P12代表滾珠絲杠故障，Tl表示伺服電機(jī)和滾珠絲杠的正常工作時(shí)間，T2表示伺服電機(jī)和滾珠絲杠靜止以后主軸電機(jī)的工作時(shí)間，T3表示主軸電機(jī)發(fā)生故障過程，T4表示滾珠絲杠發(fā)生故障過程，T5表示伺服電機(jī)發(fā)生故障過程。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0028]如圖3所示，本發(fā)明提供的建模方法的流程為:分析復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化時(shí)序關(guān)系，根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的先后順序，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，系統(tǒng)各部件的狀態(tài)用庫所表示，系統(tǒng)各部件正常工作過程用確定性時(shí)間變迀描述，系統(tǒng)各部件啟動(dòng)過程用瞬時(shí)變迀描述。在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，加入各部件的故障信息，即在各部件正常工作狀態(tài)庫所上添加故障該部件的故障狀態(tài)分支，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件正常工作狀態(tài)到故障狀態(tài)過程用賦時(shí)變迀描述，即完成了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模。在完成基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模后，用蒙特卡洛仿真計(jì)算復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中各部件隨時(shí)間變化的可靠度，進(jìn)而通過各部件的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間變化的可靠度。
[0029]本發(fā)明提供的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法的具體步驟為:
[0030]I)根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的時(shí)序關(guān)系，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型；
[0031]在步驟I)中，根據(jù)功能-行為-狀態(tài)理論，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能要求映射為系統(tǒng)各部件的行為，再由系統(tǒng)各部件行為映射為系統(tǒng)在不同情況下所處的狀態(tài)。通過分析復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)的變化，進(jìn)而建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，能夠完整的描述復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程所實(shí)現(xiàn)的功能。通過分析復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)的變化所建立的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型描述系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程，不包含各部件的故障信息。根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)的變化，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型時(shí)，系統(tǒng)各部件所處的狀態(tài)用庫所表示，系統(tǒng)各部件正常工作過程用確定性時(shí)間變迀描述，系統(tǒng)各部件啟動(dòng)過程用瞬時(shí)變迀描述。系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件服役時(shí)間因其實(shí)現(xiàn)不同的功能而異。
[0032]如圖1所示，以機(jī)床主軸電機(jī)、伺服電機(jī)和滾珠絲杠組成的系統(tǒng)為例，首先分析該系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件的狀態(tài)變化:主軸電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)后，伺服電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，然后滾珠絲杠由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，經(jīng)過一定的工作時(shí)間后，伺服電機(jī)首先轉(zhuǎn)換到再次靜止?fàn)顟B(tài)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)換到再次靜止?fàn)顟B(tài)后滾珠絲杠瞬間轉(zhuǎn)換到再次靜止?fàn)顟B(tài)，滾珠絲杠轉(zhuǎn)換到再次靜止?fàn)顟B(tài)后再經(jīng)過一定的工作時(shí)間，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)換到再次靜止?fàn)顟B(tài)，從而機(jī)床完成了一個(gè)工作周期。該系統(tǒng)伺服電機(jī)和滾珠絲杠服役時(shí)間為Tl，主軸電機(jī)服役時(shí)間為T1+T2。
[0033]分析得到系統(tǒng)各部件狀態(tài)變化后，如圖1所示，用庫所表示各部件狀態(tài)，用瞬時(shí)變迀描述系統(tǒng)各部件啟動(dòng)過程，用確定性時(shí)間變迀描述系統(tǒng)各部件工作時(shí)間，即可得到系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型。
[0034]2)在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，加入各部件的故障信息，完成復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件故障信息的添加，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，即完成了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模。
[0035]如圖2所示，在各部件正常工作狀態(tài)庫所上添加該部件的故障狀態(tài)分支，各部件正常工作狀態(tài)到故障狀態(tài)過程用賦時(shí)變迀描述，此賦時(shí)變迀可以服從任意分布而不僅僅服從指數(shù)分布。值得注意的是，部件故障是在其服役期間內(nèi)發(fā)生的。
[0036]在完成基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真計(jì)算包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型的可靠性指標(biāo)。通過蒙特卡洛仿真一定時(shí)間內(nèi)各部件故障發(fā)生次數(shù)來計(jì)算復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中各部件隨時(shí)間變化的可靠度，進(jìn)而通過各部件的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間變化的可靠度。
[0037]如圖2所示，由主軸電機(jī)、伺服電機(jī)和滾珠絲杠組成的系統(tǒng)，任意一個(gè)部件的故障，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，因此該系統(tǒng)各中部件的邏輯關(guān)系為串聯(lián)關(guān)系，通過蒙特卡洛仿真計(jì)算出各部件的可靠度后，該系統(tǒng)的可靠度即為三個(gè)部件可靠度的乘積。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)變化的時(shí)序關(guān)系，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型； 2)在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型，即完成了基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:在步驟1)中，根據(jù)功能-行為-狀態(tài)理論，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能映射為系統(tǒng)各部件的行為，再由系統(tǒng)各部件行為映射為系統(tǒng)在不同情況下所處的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:所述的步驟1)中建立的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型描述的是系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程，不包含各部件的故障信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:根據(jù)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中各部件狀態(tài)的變化，建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型，在建立復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性模型時(shí)，系統(tǒng)各部件所處的狀態(tài)用庫所表示，系統(tǒng)各部件工作過程用確定性時(shí)間變迀描述，系統(tǒng)各部件啟動(dòng)過程用瞬時(shí)變迀描述。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:在步驟2)中，在各部件正常工作狀態(tài)庫所上添加該部件的故障狀態(tài)分支，完成復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件故障信息的添加。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)各部件正常工作狀態(tài)到故障狀態(tài)過程用賦時(shí)變迀描述。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:在完成基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真計(jì)算包含故障信息的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程的Petri網(wǎng)模型的可靠性指標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于Petri網(wǎng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可靠性建模方法，其特征在于:用蒙特卡洛仿真計(jì)算復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中各部件隨時(shí)間變化的可靠度，進(jìn)而通過各部件的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間變化的可靠度。
【文檔編號】G06F17/50GK104504210SQ201410842412
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】楊培林, 薛沖沖, 徐凱 申請人:西安交通大學(xué)