一种基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法与流程

本发明涉及产品设计领域，即在产品设计早期阶段，当构件选型完毕后，如何在产品构件输入参数范围的基础上，分析产品的可靠性，以利于设计人员快速寻找产品设计中潜在的鲁棒缺陷问题，不仅提高设计效率，同时为改进产品设计提供方向指导。

背景技术：

“鲁棒性”是指控制系统在一定(结构，大小)的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。也就是系统的健壮性，是在异常和危险情况下系统生存的关键。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。

鲁棒性/抗变换性(英文：robustness)原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。鉴于中文“鲁棒性”的词义不易被理解，“robustness”又被翻译成了语义更加易懂的“抗变换性”，“抗变换性”和“鲁棒性”在译文中经常互相通用。

鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性(频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标)和不变性原理(自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论)有着密切的联系，内模原理(把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理)的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。

当系统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期的鲁棒控制主要研究单回路系统频率特性的某些特征，或基于小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。

飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且不确定因素变化范围大或稳定裕度小的对象。

产品的鲁棒性是影响产品在各类环境下能否正常工作的关键指标，是决定产品总体质量的重要因素。

传统的鲁棒性分析工作往往在产品设计的后期阶段，即设计方案完全确定之后，在各项设计参数均为已知的基础上，通过构建复杂的数学模型来进行，而支持产品设计早期阶段的快速鲁棒性分析方法仍较为欠缺。

因此，提供一种覆盖构件至产品的多层次鲁棒性分析方法、便于设计人员从不同层次对产品进行早期鲁棒性分析的基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种覆盖构件至产品的多层次鲁棒性分析方法、便于设计人员从不同层次对产品进行早期鲁棒性分析的基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法，其步骤如下：

(1)建立产品构件的拓扑结构

根据产品构件的输入输出关联，建立产品构件的拓扑结构图；

(2)计算构件鲁棒性指标

对于产品构件ci，该产品构件的某输入流i是cj的某输出流o，构件ci在输入流i上的参数取值范围为[i.min,i.max]，即其取值的下界是i.min，上界是i.max；构件cj的某输出流o的参数取值范围为[o.min,o.max]，即其取值的下界是o.min，上界是o.max，则计算构件ci在输入流i上的参数匹配度ε：

定义区间si＝[i.min,i.max]，si.min＝i.min，si.max＝i.max，so＝[o.min,o.max]，so.min＝o.min，so.max＝o.max；

定义区间δs，δs＝[i.min,i.max]∩[o.min,o.max]＝si∩so，其取值下界是δs.min，取值上界是δs.max；

当si完全包含区间so时，此时δs＝so，则ci.i.ε＝1；

当si部分包含区间so时，此时δs≠so且δs不为空，

则：ci.i.ε＝(δs.max-δs.min)/(so.max-so.min)，此时0<ci.i.ε<1；

当si完全不包含区间so时，此时δs为空，则ci.i.ε＝0；

对于产品构件c，其构件级鲁棒性指标c.ε是所有输入流的参数匹配度ε的最低值；即：c.ε＝min(c.i1.ε,c.i2.ε,…,c.ik.ε)；

(3)计算产品总体鲁棒性指标

从每个系统输入流出发，分别根据产品构件的鲁棒性指标，将该输入流至输出流之间的产品构件鲁棒性指标相乘即为该输出流上的鲁棒性指标。

优选地，所述步骤(3)中，当所述产品有多个输出流时，产品总体鲁棒性指标为各输出流鲁棒性指标的最小值。

有益效果：

本发明提出了一种面向产品设计早期阶段，在所有产品构件的输入输出参数均有连续的取值范围区间的前提下，基于产品构件输入参数的产品鲁棒性快速分析方法。当产品构件的拓扑结构确定，即产品构件的输入输出连接关系已知、构件选型完成后，可通过产品构件之间接口的参数匹配程度、产品构件的权重系数等因素分别计算产品构件的鲁棒性，建立覆盖构件至产品的多层次鲁棒性分析方法，便于设计人员从不同层次对产品进行早期鲁棒性分析。

下面通过附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。

附图说明

图1是本发明实施例1中基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法中产品构件p的拓扑结构图。

图2是本发明实施例2中基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法中电吹风产品p的拓扑结构图。

主要零部件名称：

1接线盒2电阻丝

3电机4风扇

具体实施方式

实施例1

一种基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法，其步骤如下：

(1)建立产品构件的拓扑结构

根据产品构件的输入输出关联，建立产品构件的拓扑结构图，如图1所示，是本发明实施例1中基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法中产品构件p的拓扑结构图；对于一个包含c1、c2、c3、c4、c5的产品p，p的输入为i，输出为o，c1接受产品输入i，并产生两个输出流c1.o1、c1.o2，分别输入至构件c2、c3、c4，c2、c3、c4各有一个输出流，均输入至c5，最后c5的输出作为产品p的输出；

根据上述产品构件的输入输出关系，可构建如图1所示的拓扑结构，图中箭头表示产品构件之间的流，产品构件的输出流沿箭头指向，流向另一产品构件，并成为该产品构件的输入流；

(2)计算构件鲁棒性指标

对于产品构件ci，该产品构件的某输入流i是cj的某输出流o，构件ci在输入流i上的参数取值范围为[i.min,i.max]，即其取值的下界是i.min，上界是i.max；构件cj的某输出流o的参数取值范围为[o.min,o.max]，即其取值的下界是o.min，上界是o.max，则计算构件ci在输入流i上的参数匹配度ε：

定义区间si＝[i.min,i.max]，si.min＝i.min，si.max＝i.max，so＝[o.min,o.max]，so.min＝o.min，so.max＝o.max；

定义区间δs，δs＝[i.min,i.max]∩[o.min,o.max]＝si∩so，其取值下界是δs.min，取值上界是δs.max；

当si完全包含区间so时，此时δs＝so，则ci.i.ε＝1；

当si部分包含区间so时，此时δs≠so且δs不为空，

则：ci.i.ε＝(δs.max-δs.min)/(so.max-so.min)，此时0<ci.i.ε<1；

当si完全不包含区间so时，此时δs为空，则ci.i.ε＝0；

对于产品构件c，其构件级鲁棒性指标c.ε是所有输入流的参数匹配度ε的最低值；即：c.ε＝min(c.i1.ε,c.i2.ε,…,c.ik.ε)；

对于图1所示产品p，按上述方法分别计算每个产品构件的输入流参数匹配度ε，因此需计算的有：c1.i.ε、c2.i.ε、c3.i.ε、c4.i1.ε、c5.i1.ε、c5.i2.ε；特别地，对于c5.i2.ε这一指标，c5的输入流i2接收c3与c4的并联输出，此时c5.i2输入流接收的上限是c3与c4输出流上限值的叠加，下限是c3与c4输出流的最小值；最后，每个产品构件根据输入流的参数匹配度ε确定该产品构件的鲁棒性指标；

(3)计算产品总体鲁棒性指标

从每个系统输入流出发，分别根据产品构件的鲁棒性指标，将该输入流至输出流之间的产品构件鲁棒性指标相乘即为该输出流上的鲁棒性指标；当产品有多个输出流时，产品总体鲁棒性指标为各输出流鲁棒性指标的最小值。

对于图1，产品p的输出流o的鲁棒性指标p.o.ε＝c1.ε×c2.ε×c5.ε，由于p仅有一个输出流o，因此，产品总体鲁棒性指标p.ε＝p.o.ε。

实施例2

如图2所示，是本发明实施例2中基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法中电吹风产品p的拓扑结构图，其中，1为接线盒，2为电阻丝，3为电机，4为风扇；其输入流为电能i1和空气i2，输出流为空气o1、机械能o2及热能o13，且机械能及热能均加载在空气流上，形成高速高温的空气流；

上述构件的输入输出流参数定义如下：

接线盒1(c1):输入流为电能，输入参数i为电流安培，接受范围为[0a,2a]；其两个输出流c1.o1与c1.o2的输出均为电流，输出参数范围均为[0a,2a]；

电阻丝2(c2):输入流为电能，输入参数i为电流安培，接受范围为[0,3a]；其输出流c2.o为热能，输出参数输出范围为[0w,100w]；

电机3(c3):输入流为电能，输入参数i为电流安培，接受范围为[0a,1.5a]；其输出流c3.o为机械能，输出参数为功率，输出范围为[0w,150w]；

风扇4(c4):输入流为机械能与空气流，输入参数i1为功率，接受范围为[0w,120w]；输入参数i2为风量，可接受的进风量范围[0,15立方米/秒]；其输出流c4.o1为机械能，输出参数的范围为[0w,120w]；其输出流c4.o2为空气，输出参数为送风量，参数范围为[0w,15立方米/秒]；

对于图2所示产品p，定义该产品的输入电能的参数i1范围是[0a,1a]，进风量参数i2[0,10立方米/秒]，则各构件的输入流鲁棒性指标计算如下：

对于c1.i：由于p.i1的参数范围[0a,1a]完全被c1.i的参数范围[0a,2a]包含，根据前文的计算式可知：

对于c2.i：同理可得：c2.ε＝c2.i.ε＝1

对于c3.i：

[0a,1.5a]∩[0a,2a]＝[0a,1.5a]

c3.ε＝c3.i.ε＝(1.5–0)/(2–0)＝1.5/2＝0.75

对于c4.i1：

[0w,120w]∩[0w,150w]＝[0w,120w]

c4.i1.ε＝(120–0)/(150–0)＝120/150＝0.8

对于c4.i2：c4.i2.ε＝1

c4.ε＝min(c4.i1.ε,c4.i2.ε)＝min(1,0.8)＝0.8

因此，有：

p.o1.ε＝c4.ε＝0.8；

p.o2.ε＝c1.ε×c3.ε×c4.ε＝1×0.75×0.8＝0.6；

p.o3.ε＝c4.ε＝0.8

p.ε＝min(p.o1.ε,p.o2.ε,p.o3.ε)＝min(0.8,0.6,0.8)＝0.6

在产品p中，可以看出，构件c3的鲁棒性指标值最小，其次为构件c4，因此这两个构件是改进整体产品鲁棒性指标的侧重点。

本发明的基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法，利用构件之间输入输出的关联关系，建立产品构件的拓扑结构，通过计算构件参数取值的匹配度，可获取相应构件在当前拓扑结构中的鲁棒性量化指标；最后在产品构件鲁棒性基础上，根据构件的拓扑连接关系计算产品的整体鲁棒性指标。

本发明的基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法基于构件在上下文环境下的鲁棒性，可快速找出产品鲁棒性的薄弱环节，为改进产品设计提供指导，提高设计效率。

本发明的基于参数范围匹配的产品鲁棒性分析方法可有效识别产品结构中对输入参数敏感，即鲁棒性较低的构件，为设计人员分析产品设计方案中的鲁棒性缺陷问题、改进产品设计提供了方向。