CN104504210B - 一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，首先根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的时序关系，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型；然后在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，即完成了基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模。利用本发明提供的方法对复杂机电系统进行可靠性建模，可以完整清晰实时地表达复杂机电系统的动态运行过程，明确了系统各部件服役时间，避免了模糊性，可以有效地对复杂机电系统进行建模分析。
Description
技术领域
本发明属于系统工程可靠性分析领域，涉及一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法。
背景技术
1、随着机电一体化技术的发展，复杂机电系统(产品)的集成度和复杂程度越来越高，由此导致的系统可靠性问题日显突出，可靠性已成为衡量复杂机电系统性能的重要指标之一。
2、对复杂机电系统进行可靠性建模时，各个部件状态之间的时序和逻辑关系复杂，服役时间各不相同，对实时性要求比较高，这些都对模型的建立和修改造成了很大的困难。使用传统的建模方法对复杂机电系统进行可靠性建模比较困难，很难表达出复杂机电系统各部件的服役时间的情况。
3、Petri网是一种图形化的建模工具，由于它能精确地描述系统事件之间的顺序、并发、同步等关系，比较适合描述复杂系统的动态过程，是系统建模分析的良好工具。
4、已有的基于Petri网的复杂机电系统建模方法，存在以下几方面的缺陷：
1)传统Petri网建模方法仅仅建立了机电系统可靠性逻辑的Petri网模型，无法表现整个系统的动态运行过程和系统各部件的服役时间，因此无法正确描述系统各部件故障发生的时间。
2)传统Petri网建模方法仅仅能够描述机电系统各部件故障之间的传递，不能完整体现系统的运行过程所实现的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，该方法能够清晰的表达出复杂机电系统动态运行的过程，满足复杂机电系统建模在时间上的要求。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，包括以下步骤：
1)根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的时序关系，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型；
2)在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，即完成了基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模。
在步骤1)中，根据功能-行为-状态理论，复杂机电系统的功能映射为系统各部件的行为，再由系统各部件行为映射为系统在不同情况下所处的状态。
所述的步骤1)中建立的复杂机电系统运行过程的Petri网模型描述的是系统正常运行的过程，不包含各部件的故障信息。
根据复杂机电系统运行过程中各部件状态的变化，建立复杂机电系统可靠性模型，在建立复杂机电系统可靠性模型时，系统各部件所处的状态用库所表示，系统各部件工作过程用确定性时间变迁描述，系统各部件启动过程用瞬时变迁描述。
在步骤2)中，在各部件正常工作状态库所上添加该部件的故障状态分支，完成复杂机电系统各部件故障信息的添加。
复杂机电系统各部件正常工作状态到故障状态过程用赋时变迁描述。
在完成基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真计算包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型的可靠性指标。
用蒙特卡洛仿真计算复杂机电系统中各部件随时间变化的可靠度，进而通过各部件的逻辑关系计算系统随时间变化的可靠度。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，首先根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的先后顺序，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型，表现了复杂机电系统在运行过程中各部件的状态及其变迁过程，完整清晰地表达出复杂机电系统的动态运行过程和各部件之间的时序关系；然后在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，在各部件正常工作状态上添加故障该部件的故障状态分支，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，明确了系统各部件的服役时间，避免了模糊性。利用本发明提供的建模方法对复杂机电系统进行可靠性建模，可以完整清晰实时地表达复杂机电系统的动态运行过程，明确了系统各部件服役时间，避免了模糊性，可以有效地对复杂机电系统进行建模分析。
进一步的，本发明在建立了基于Petri网的复杂机电系统可靠性模型后，可以利用蒙特卡洛仿真计算包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型的可靠性指标，从而对本发明建立的模型进行可靠性评价。
附图说明
图1为由机床主轴电机、伺服电机和滚珠丝杠组成的系统正常工作过程时的Petri网模型；
图2为由机床主轴电机、伺服电机和滚珠丝杠组成的系统添加故障信息后的Petri网模型；
图3为本发明提供的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法的流程图。
其中：P1～P12分别表示12个库所，T1～T5表示5个时间变迁，其含义分别为：P1代表主轴电机静止，P2代表主轴电机工作，P3代表伺服电机静止，P4代表伺服电机工作，P5代表滚珠丝杠静止，P6代表滚珠丝杠工作，P7代表伺服电机再次静止，P8代表滚珠丝杠再次静止，P9代表主轴电机再次静止，P10代表主轴电机故障，P11代表伺服电机故障，P12代表滚珠丝杠故障，T1表示伺服电机和滚珠丝杠的正常工作时间，T2表示伺服电机和滚珠丝杠静止以后主轴电机的工作时间，T3表示主轴电机发生故障过程，T4表示滚珠丝杠发生故障过程，T5表示伺服电机发生故障过程。
具体实施方式
下面对本发明进行详细的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图3所示，本发明提供的建模方法的流程为：分析复杂机电系统运行过程中各部件状态变化时序关系，根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的先后顺序，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型，系统各部件的状态用库所表示，系统各部件正常工作过程用确定性时间变迁描述，系统各部件启动过程用瞬时变迁描述。在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，加入各部件的故障信息，即在各部件正常工作状态库所上添加故障该部件的故障状态分支，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，复杂机电系统各部件正常工作状态到故障状态过程用赋时变迁描述，即完成了基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模。在完成基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模后，用蒙特卡洛仿真计算复杂机电系统中各部件随时间变化的可靠度，进而通过各部件的逻辑关系计算系统随时间变化的可靠度。
本发明提供的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法的具体步骤为：
1)根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的时序关系，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型；
在步骤1)中，根据功能-行为-状态理论，复杂机电系统的功能要求映射为系统各部件的行为，再由系统各部件行为映射为系统在不同情况下所处的状态。通过分析复杂机电系统运行过程中各部件状态的变化，进而建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型，能够完整的描述复杂机电系统运行过程所实现的功能。通过分析复杂机电系统运行过程中各部件状态的变化所建立的复杂机电系统Petri网模型描述系统正常运行的过程，不包含各部件的故障信息。根据复杂机电系统运行过程中各部件状态的变化，建立复杂机电系统可靠性模型时，系统各部件所处的状态用库所表示，系统各部件正常工作过程用确定性时间变迁描述，系统各部件启动过程用瞬时变迁描述。系统运行过程中各部件服役时间因其实现不同的功能而异。
如图1所示，以机床主轴电机、伺服电机和滚珠丝杠组成的系统为例，首先分析该系统运行过程中各部件的状态变化：主轴电机由静止状态转换到工作状态后，伺服电机由静止状态转换到工作状态，然后滚珠丝杠由静止状态转换到工作状态，经过一定的工作时间后，伺服电机首先转换到再次静止状态，伺服电机转换到再次静止状态后滚珠丝杠瞬间转换到再次静止状态，滚珠丝杠转换到再次静止状态后再经过一定的工作时间，主轴电机转换到再次静止状态，从而机床完成了一个工作周期。该系统伺服电机和滚珠丝杠服役时间为T1，主轴电机服役时间为T1+T2。
分析得到系统各部件状态变化后，如图1所示，用库所表示各部件状态，用瞬时变迁描述系统各部件启动过程，用确定性时间变迁描述系统各部件工作时间，即可得到系统运行过程的Petri网模型。
2)在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，加入各部件的故障信息，完成复杂机电系统各部件故障信息的添加，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，即完成了基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模。
如图2所示，在各部件正常工作状态库所上添加该部件的故障状态分支，各部件正常工作状态到故障状态过程用赋时变迁描述，此赋时变迁可以服从任意分布而不仅仅服从指数分布。值得注意的是，部件故障是在其服役期间内发生的。
在完成基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真计算包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型的可靠性指标。通过蒙特卡洛仿真一定时间内各部件故障发生次数来计算复杂机电系统中各部件随时间变化的可靠度，进而通过各部件的逻辑关系计算系统随时间变化的可靠度。
如图2所示，由主轴电机、伺服电机和滚珠丝杠组成的系统，任意一个部件的故障，都会导致整个系统不能正常运行，因此该系统各中部件的逻辑关系为串联关系，通过蒙特卡洛仿真计算出各部件的可靠度后，该系统的可靠度即为三个部件可靠度的乘积。
Claims (5)
1.一种基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据复杂机电系统运行过程中各部件状态变化的时序关系，建立复杂机电系统运行过程的Petri网模型；其中，根据功能-行为-状态理论，复杂机电系统的功能映射为系统各部件的行为，再由系统各部件行为映射为系统在不同情况下所处的状态；根据复杂机电系统运行过程中各部件状态的变化，建立复杂机电系统可靠性模型，在建立复杂机电系统可靠性模型时，系统各部件所处的状态用库所表示，系统各部件工作过程用确定性时间变迁描述，系统各部件启动过程用瞬时变迁描述；
2)在复杂机电系统运行过程的Petri网模型基础上，加入各部件的故障信息，建立包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型，即完成了基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模；其中，在各部件正常工作状态库所上添加该部件的故障状态分支，完成复杂机电系统各部件故障信息的添加。
2.根据权利要求1所述的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，其特征在于：所述的步骤1)中建立的复杂机电系统运行过程的Petri网模型描述的是系统正常运行的过程，不包含各部件的故障信息。
3.根据权利要求1所述的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，其特征在于：复杂机电系统各部件正常工作状态到故障状态过程用赋时变迁描述。
4.根据权利要求1所述的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，其特征在于：在完成基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模后，利用蒙特卡洛仿真计算包含故障信息的复杂机电系统运行过程的Petri网模型的可靠性指标。
5.根据权利要求4所述的基于Petri网的复杂机电系统可靠性建模方法，其特征在于：用蒙特卡洛仿真计算复杂机电系统中各部件随时间变化的可靠度，进而通过各部件的逻辑关系计算系统随时间变化的可靠度。
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