Google   Google+   Vk   Facebook   Youtube   Twitter   Wikipedia   Mail.ru   yandex.ru   Yahoo   Evernote   myspace   linkedin.com   blogger.com   www.livejournal.com   webdiscover.ru 

Загальна характеристика технічних систем

Опубликовано в Лекции

Відкрита лекція на тему "Загальна характеристика технічних систем"

 

План

  1. Підходи при розробці технічних систем.
  2. Функціональність ТС.
  3. Структура ТС.
  4. Організація ТС.
  5. Системні властивості ТС.
  6. Задачі при розробці нових технічних систем.
  7. Ідеальна технічна система.

 Література

  1. Чус А.В. „ Основы технического творчества” / А.В. Чус, В.Н. Данченко. – Киев–Донецк: Высшая школа, 1983. – 184 с.
  2. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.:Советское радио, 1979. - 208 с.

Додаткова

  1. Юрий Петрович Саламатов.  Система законов развития техники (основы теории развития технических систем). 1996 .

 

Виклад матеріалу лекції

Загальна характеристика технічних систем

Підходи при розробці технічних систем

ТЕХНІЧНА СИСТЕМА - це сукупність упорядковано взаємодіючих елементів, що володіє властивостями, які не зводяться до властивостей окремих елементів, і призначена для виконання певних корисних функцій.

Таким чином, технічна система має 4 головних (фундаментальних) ознаки:

• функціональність,

• цілісність (структура),

• організація,

• системне якість.

Відсутність хоча б однієї ознаки не дозволяє вважати об'єкт технічної системою.

 У теорії створення технічних об'єктів до 1970 р. у світовій практиці склалося два підходи: вітчизняний, названий комплексним підходом, і американський, названий системним підходом.

Комплексний підхід базується на діалектичному матеріалізму і вимагає об'єктивного, конкретного і всебічного дослідження об'єкта. Об'єкт представляється у вигляді одного цілого, що складається з взаємозв'язаних частин, об'єднаних в ньому для виконання загальної цільової функції. Якісні та кількісні параметри об'єкту оцінюються комплексно.

Системний підхід розглядає об'єкт дослідження як систему, а процес дослідження - системним. Поняття системи відображає закон матеріалістичної діалектики про взаємозв'язок, цілісності і організованості світу. Це значить, що при дослідженні об'єкта неможливо зрозуміти ціле, суммуючи знання про його частини, і не можна зрозуміти частину, не спираючись на знання про ціле.

Поняття системного дослідження спирається на принцип діалектики про об'єктивне, всебічне і конкретному дослідженні, коли поєднується аналіз і синтез.

Сенс системного підходу при дослідженні процесів розвитку в техніці полягає в розгляді будь-якого технічного об'єкта як системи взаємопов'язаних елементів, що утворюють єдине ціле. Лінія розвитку являє собою сукупність декількох вузлових точок - технічних систем, що різко відрізняються один від одного (якщо їх порівнювати тільки між собою); між вузловими точками лежить безліч проміжних технічних рішень - технічних систем з невеликими змінами в порівнянні з попереднім кроком розвитку. Системи як би "перетікають" одна в іншу, повільно еволюціонуючи, відсуваючи все далі від вихідної системи, перетворюючись іноді до невпізнання. Дрібні зміни накопичуються і стають причиною великих якісних перетворень. Щоб пізнати ці закономірності, необхідно визначити, що таке технічна система, з яких елементів вона складається, як виникають і функціонують зв'язку між частинами, які наслідки від дії зовнішніх і внутрішніх факторів, і т.д. Незважаючи на величезну різноманітність, технічні системи мають ряд загальних властивостей, ознак і структурних особливостей, що дозволяє вважати їх єдиною групою об'єктів.

Які основні ознаки технічних систем? До них можна віднести наступні:

• системи створені для якихось цілей, тобто виконують корисні функції;  

• системи складаються з частин, елементів, тобто мають структуру,

• елементи (частини) системи мають зв'язки один з одним, з'єднані певним чином, організовані в просторі і часі;

• кожна система в цілому має якимось особливим якістю, нерівним простої суми властивостей складових її елементів, інакше пропадає сенс у створенні системи (цільної, функціонуючої, організованій).

Пояснимо це простим прикладом. Припустимо, необхідно скласти фоторобот злочинця. Перед свідком поставлена чітка мета: скласти систему (фотопортрет) з окремих частин (елементів), система призначається для виконання досить корисною функції. Природно, що частини майбутньої системи не з'єднуються як попало, вони повинні доповнювати один одного. Тому йде тривалий процес підбору елементів таким чином, щоб кожен елемент, що входить в систему, доповнював попередній, а разом вони збільшували б корисну функцію системи, тобто посилювали б схожість портрета на оригінал. І раптом, в якийсь момент, відбувається диво - якісний стрибок! - Збіг фоторобота з виглядом злочинця. Тут елементи організовані в просторі строго певним чином (неможливо переставити їх), взаємопов'язані, разом дають нову якість. Навіть якщо свідок абсолютно точно ідентифікує окремо очі, ніс і т.д. з фото моделями, то ця сума "шматочків особи" (кожен з яких правильний!) нічого не дає - це буде проста сума властивостей елементів. Тільки функціонально точно з'єднані елементи дають головна якість системи (і виправдовують її існування). Точно так же набір букв (наприклад, А, Л, К, Е), з'єднавшись тільки певним чином дає нову якість (наприклад, ЯЛИНКА).

 

Функціональність

3.2.1. Мета - функція.

В основі будь-якого трудового процесу, в тому числі винахідницького, лежить поняття мети. Безцільного винаходи не існує. У технічних системах мета задається людиною і вони призначені для виконання корисної функції. Уже інженер стародавнього Риму Вітрувій стверджував: "Машина є дерев'яне пристосування, яке надає велику допомогу при піднятті вантажів". Мета - уявний підсумок, до якого прагнуть, задовольняючи потребу. Таким чином, синтез ТС - це цілеспрямований процес. Будь-який сьогоднішній стан може мати в майбутньому безліч наслідків, абсолютна більшість яких лежать в руслі ентропійних процесів. Людина вибирає мету і тим самим різко підвищує ймовірність потрібних йому подій. Цілеспрямованість - еволюційно набута (або заданий ...) навичка боротьби з ентропійними процесами.

3.2.2. Потреба - функція.

Поява цілі - це результат усвідомлення потреби. Людина відрізняється від інших живих істот тим, що йому властиві підвищені домагання - набагато вище можливості природних органів. Потреба (постановка завдання) - це те, що потрібно мати (зробити), а функція - реалізація потреби в ТС.

Потреба може бути задоволена кількома функціями; наприклад, потреба в обміні продуктами праці - натуральний обмін, по еквівалентах, грошова система. Так само і обрана функція може бути втілена в декількох реальних об'єктах; наприклад, гроші - мідь, золото, папір, зуби акули і т.д. І, нарешті, будь-який реальний об'єкт може бути отриманий (синтезований) декількома шляхами або його робота може бути заснована на різних фізичних принципах; наприклад, папір для грошей можна отримати різними способами, рисунок нанести фарбою, у вигляді голограми і т.д. Таким чином, технічні системи, в принципі, мають множинні шляхи розвитку. Людина все ж якимось чином вибирає одну дорогу втілення потреби. Критерій тут єдиний - мінімум МГЕ (маси, габаритів, енергоємності); інакше не можна - людство завжди було обмежено в готівкових ресурсах. Хоча, дорога ця найчастіше звивиста, має безліч тупикових відгалужень і навіть петель ...

3.2.3. Носій функції.

Виникнення потреб, усвідомлення мети і формулювання функції - це процеси, що відбуваються всередині людини. Але реально діюча функція - це вплив на предмет праці (виріб) або служіння людині. Тобто, не вистачає проміжної ланки - робочого органу. Це і є носій функції в чистому вигляді. РО - єдина функціонально корисна людині частина технічної системи. Всі інші частини допоміжні. ТС і виникали на перших етапах як робочі органи (взамін органів тіла і на додаток їм). І тільки потім, для збільшення корисної функції. до робочого органу "пристроювалися" інші частини, підсистеми, допоміжні системи. Цей процес можна зобразити так:

 Уявімо собі (поки умоглядно), що можливий і зворотний хід - як продовження даного.

 Перша половинка процесу - розгортання техніки, друга - згортання. Тобто людині, загалом то, потрібна функція, а не її носій ...

Для полегшення переходу від функції до її носія - робочому органу майбутньої ТС - необхідна точність в описі функції. Чим конкретніше описана функція, чим більше додаткових умов, тим вже діапазон засобів для її реалізації, тим чіткіше ТС і її структура. Потужним обмежувачем варіантності служать виявлені закономірності розвитку робочих органів в складі ТС.

3.2.4. Визначення функції.

Функціонування це зміна властивостей, характеристик і якостей системи в просторі і часі. Функція - це здатність ТС проявляти свою властивість (якість, корисність) за певних умов і перетворювати предмет праці (виріб) в необхідну форму або величину. Для визначення функції необхідно відповісти на питання: що робить ця ТС? (для існуючих ТС), або: що повинна робити ТС? (для синтезованих ТС).

3.2.5. Ієрархія функцій.

Кожна ТС може виконувати кілька функцій, з яких тільки одна робоча, заради якої вона й існує, решта - допоміжні, супутні, що полегшують виконання головної. Визначення головної корисної функції (ГКФ) іноді викликає утруднення. Це пояснюється множинністю вимог, що пред'являються до даної системи з боку вище і нижче лежачих систем, а також сусідніх, зовнішніх та інших систем. Звідси що здається нескінченність визначень ГКФ (принципова неохватної всіх властивостей і зв'язків).

Приклад: ієрархія функцій цегли.

ГПФ-1 окремого цегли: тримати свою форму, не розвалюватися, мати певну вагу, структуру, твердість. Вимога з боку сусідніх систем (інших цеглин і розчину в майбутній стіні): мати прямокутні грані, схоплюватися з розчином.

ГПФ-2 стіни: нести себе, бути вертикальної, чи не деформуватися при зміні температури, вологості, навантаження, обгороджувати щось, нести навантаження від чогось. Цегла повинна відповідати частині вимог ГПФ 2.

ГПФ-3 будинки: повинен створювати певні умови для внутрішнього середовища, захист від атмосферних впливів, мати певний зовнішній вигляд. Цегла повинна виконувати частину і цих вимог.

ГПФ-4 міста: певний архітектурний вигляд, кліматичні та національні особливості і т.д.

Крім того, вимога і до самої цегли постійно збільшуються: він не повинен вбирати грунтову вологу, повинен мати хороші теплоізоляційні властивості, звукопоглинальні властивості, бути радіопрозорим і т.п.

Так ось, ГКФ даної системи - це виконання вимог першої вищестоящої системи. Всі інші вимоги, в міру віддалення ієрархічного рівня, від якого вони походять, надають все менший вплив на дану систему. Ці над і підсистемні вимоги можуть бути виконані і іншими речовинами і системами, не обов'язково даною системою. Наприклад, властивість міцності цегли може бути досягнуто різними добавками у вихідну масу, а властивість естетичності приклеюванням декоративної плитки на готову стінку; для ГКФ цегли (виконувати "вимоги" стіни) це байдуже.

Тобто, ГПФ елемента визначається системою, в яку він включається. Той же цегла може бути включений у безліч інших систем, де його ГПФ буде абсолютно несхожою (а то й протилежною) приведеної вище.

Приклад. Визначити ГПФ калорифера.

• Для чого калорифер? - Нагрівати повітря в будинку.

• Для чого треба нагрівати повітря? - Щоб його температура не впала нижче допустимої величини.

• Чому небажано падіння температури? - Щоб забезпечити комфортні умови для людини.

• Для чого потрібні комфортні умови людині? - Щоб зменшити ризик захворіти, і т.д.

Це шлях вгору по ієрархії цілей - в надсистему. Звана на кожному поверсі функція (мета) може бути виконана й інший ТЗ. Калорифер входить в систему: "будинок-повітря-людина-калорифер" і виконує її "вимоги".

Можна спуститися вниз по ієрархії:

• що нагріває повітря? - Теплове поле;

• що виробляє теплове поле? - Нагрівальна спіраль;

• що діє на спіраль для отримання тепла? - Електричний струм;

• що підводить електричний струм до спіралі? - Дроти, і т. Д.

Отже, "вимога" НС для калорифера - нагрівати повітря. А що робить калорифер (його робочий орган - спіраль)? - Виробляє тепло, теплове поле. Ось це і є ГКФ калорифера - виробництво тепла, як "відповідь" на "вимогу" надсистеми. Тут теплове поле - виріб "випускається" технічною системою "калорифер". ГКФ надсистеми - забезпечення комфортних умов для людини.

3.3. Структура

3.3.1. Визначення структури.

Сукупність (цілісність) елементів і властивостей невід'ємна ознака системи. З'єднання елементів в єдине ціле потрібно для отримання (освіти, синтезу) корисної функції, тобто для досягнення поставленої мети.

Якщо визначення функції (мети) системи в якійсь мірі залежить від людини, то структура - найбільш об'єктивний ознака системи, вона залежить тільки від виду та матеріального складу використовуваних в ТС елементів, а також від загальних законів світу, які диктують певні способи з'єднання, види зв'язку та режими функціонування елементів в структурі. В цьому сенсі структура це спосіб взаємного з'єднання елементів в системі. Складання структури - це програмування системи, завдання поведінки ТС з метою отримання в результаті корисної функції. Необхідна функція і вибраний фізичний принцип її здійснення однозначно задають структуру.

Структура - це сукупність елементів і зв'язків між ними, які визначаються фізичним принципом здійснення необхідної корисної функції.

Структура залишається незмінною в процесі функціонування, тобто при зміні стану, поведінки, здійснення операцій і будь-яких інших дій.

Головне в структурі: елементи, зв'язки, незмінність у часі.

3.3.2. Елемент структури.

Елемент, система - відносні поняття, будь-яка система може стати елементом системи вищого рангу, також і будь-який елемент можна представити як систему елементів більш низького рангу. Наприклад, болт (гвинт + гайка) - елемент двигуна, який в свою чергу є структурною одиницею (елементом) в системі автомобіля і т.д. Гвинт складається із зон (геометричних тіл), таких як головка, циліндр, різьба, фаска; матеріал болта - сталь (система), що складається з елементів заліза, вуглецю, легуючих добавок, які в свою чергу складаються з молекулярних утворень (зерен, кристалів), ще нижче - атоми, елементарні частинки.

Елемент - відносно ціла частина системи, що володіє деякими властивостями незникаюче при відділенні від системи. Проте в системі властивості елемента не рівні властивостям окремо взятого елемента.

Сума властивостей елемента в системі може бути більше або менше суми його властивостей поза системою. Інакше кажучи, частина властивостей елемента, що включається в систему, гаситься або до елементу додаються нові властивості. У переважній більшості випадків частина властивостей елемента нейтралізується в системі, як би зникає; в залежності від величини цієї частини говорять про ступінь втрати індивідуальності елемента включеного в систему.

Система володіє частиною властивостей елементів її складових, але жоден елемент колишньої системи не має властивість всієї системи (системним ефектом, якістю). Коли пісок перестає бути піском? - На найближчому верхньому або нижньому "поверсі": пісок - пил - молекули - атоми -...; пісок - камінь - скеля ...; тут "піщані" властивості частково зберігаються при русі вгору і відразу зникають при русі вниз по "поверхах".

Елемент - мінімальна одиниця системи, здатна до виконання деякої елементарної функції. Всі технічні системи починалися з одного елемента, призначеного для виконання однієї елементарної функції. Із збільшенням ГПФ починається збільшення (посилення) якихось властивостей елемента. Потім йде диференціація елементу, тобто поділ елемента на зони з різними властивостями. З моноструктури елементу (камінь, палиця) починають виділятися інші елементи. Наприклад, при перетворенні кам'яного різця в ніж виділилися робоча зона й зона ручки, а потім посилення специфічних властивостей кожної зони зажадало застосування різних матеріалів (складові інструменти). З робочого органу виділилася і розвинулася трансмісія. Потім до РО і ТР додаються Двигун, Орган управління, Джерело енергії. Система розростається за рахунок ускладнення своїх елементів, додаються допоміжні підсистеми. Система стає високоспеціалізованої. Але настає момент розвитку, коли система починає приймати на себе функції сусідніх систем, не збільшуючи кількість своїх елементів. Система стає все більш універсальною при незмінності, а потім і скорочує кількість елементів.

 3.3.3. Типи структур.

Виділимо кілька найбільш характерних для техніки структур:

1)      Корпускулярна.

Складається з однакових елементів, слабо зв’язаних між собою; зникнення частини елементів майже не відбивається на функції системи. Приклади: ескадра кораблів, піщаний фільтр.

 2). "Цегляна".

Складається з однакових жорстко пов'язаних між собою елементів. Приклади: стіна, арка, міст.

 3). Ланцюгова.

Складається з однотипних шарнірно зв’язаних елементів. Приклади: гусениця, поїзд.

  4). Мережева.

Складається з різнотипних елементів, пов'язаних між собою безпосередньо, або транзитом через інші, або через центральний (вузловий) елемент (зоряна структура). Приклади: телефонна мережа, телебачення, бібліотека, система теплопостачання.

 5). Багатозв'язна.

Включає безліч перехресних зв'язків в мережевий моделі.

 6). Ієрархічна.

Складається з різнорідних елементів, кожен з яких є складовим елементом системи вищого рангу і має зв'язки по "горизонталі" (з елементами одного рівня) і по "вертикалі" (з елементами різних рівнів). Приклади: верстат, автомобіль, гвинтівка.

 За типом розвитку в часі структури бувають:

1. Які розгортаються з часом при збільшенні ГКФ, зростає кількість елементів.

2. Які згортаються з часом при зростанні або незмінному значенні ГКФ, кількість елементів зменшується.

3. Редукуючі, в якийсь момент часу починається зменшення кількості елементів при одночасному зменшенні ГКФ.

4. Деградуючі, зменшення ГПФ при зменшенні зв'язків, потужності, ефективності.

  Принципи побудови структури.

 Головний орієнтир в процесі синтезу системи - отримання майбутнього системного властивості (ефекту, якості). Важливе місце в цьому процесі займає етап підбору (побудови) структури.

"Формула" системи:

 Для однієї і тієї ж системи можна підібрати кілька різних структур залежно від обраного фізичного принципу втілення ГКФ. Вибір фізичного принципу повинен грунтуватися на мінімізації М, Г, Е (маси, габаритів, енергоємності) при збереженні ефективності.

Формування структури - основа синтезу системи.

Деякі принципи формування структури:

• принцип функціональності,

• принцип причинності,

• принцип повноти частин,

• принцип додатковості.

Принцип функціональності відображає примат функції над структурою. Структура обумовлюється попереднім вибором:

Вибір принципу дії однозначно визначає структуру, тому їх треба розглядати разом. Принцип дії (структура) - це відображення цілі-функції. За обраному принципом дії слід скласти функціональну схему (можливо в вепольній формі).

Функціональна схема будується за принципом причинності, так як будь-яка ТС підпорядковується цим принципом. Функціонування ТС це ланцюжок дій-подій.

Кожна подія в ТС має одну (або декілька) причин й саме є причиною подальших подій. Все починається з причини, тому важливий момент - забезпечення "запуску" (включення) причини. Для цього необхідна наявність таких умов:

• забезпечити зовнішні умови, що не перешкоджають прояву дії,

• забезпечити внутрішні умови, при яких здійснюється подія (дія),

• забезпечити ззовні привід, поштовх, "іскру" для "запуску" дії.

Головний сенс у виборі принципу дії - найкраще здійснення принципу причинності.

Надійний спосіб вибудовування ланцюжка дій - від кінцевого події до початкового; кінцеве подія - це дія, отримане на робочому органі, тобто здійснення функції ТС.

Головна вимога до структури - мінімальні втрати енергії і однозначність дії (виняток помилки), то є хороша енергетична провідність і надійність причинно-наслідкового ланцюжка.

При вирішенні винахідницьких задач, після формулювання ФП (фізичного протиріччя) виникають труднощі при переході до фізичного принципу. Можливо тут допоможе принцип причинності. ФП - це замовлення, кінцеве дію, від нього вимагається вибудувати ланцюжок причин-наслідків до фізефекту.

Принцип повноти частин (закон повноти частин системи) може бути взятий за основу при першій побудові функціональної схеми. Можлива наступна послідовність кроків:

1. Формулюється ГКФ.

2. Визначається фізичний принцип дії робочого органу на виріб.

3. Відбирається або синтезується РО.

4. До робочого органу "прилаштовуються" трансмісія, двигун, джерело енергії, орган управління.

5. Будується в першому наближенні функціональна схема.

Форма.

Форма - це зовнішній прояв структури ТС, а структура - внутрішній зміст форми. Ці два поняття тісно взаємопов'язані. У технічній системі може переважати одне з них і диктувати умови втілення інший (наприклад, форма крила літака обумовлює його структуру). Логіка побудови структури в основному визначається внутрішніми принципами і функціями системи. Форма в більшості випадків залежить від вимог надсистеми.

Основні вимоги до форми:

• функціональні (форма різьблення і т.п.),

• ергономічні (рукоять інструменту, сидіння водія і т. П.),

• технологічні (простота і зручність виготовлення, обробки, транспортування),

• експлуатаційні (термін служби, міцність, стійкість, зручність ремонту),

• естетичні (дизайн, краса, "приємність", "теплота" ...).

Ієрархічна структура систем.

Ієрархічний принцип організації структури можливий тільки в багаторівневих системах (це великий клас сучасних технічних систем) і полягає в упорядкуванні взаємодій між рівнями в порядку від вищого до нижнього. Кожен рівень виступає як керуючий по відношенню до всіх нижче лежачим і як керований, підлеглий, по відношенню до вище розміщених. Кожен рівень спеціалізується також на виконанні певної функції (ГКФ рівня). Абсолютно жорстких ієрархій не буває, частина систем нижніх рівнів володіє меншою або більшою автономією по відношенню до вище розміщених рівнів. В межах рівня відносини елементів рівні між собою, взаємно доповнюють один одного, їм притаманні риси самоорганізації (закладаються при формуванні структури).

Виникнення і розвиток ієрархічних структур не випадкове, оскільки це єдиний шлях збільшення ефективності, надійності і стійкості в системах середньої і високої складності.

В простих системах ієрархія не потрібна, так як взаємодія здійснюється по безпосереднім зв'язкам між елементами. У складних системах безпосередні взаємодії між усіма елементами неможливі (потрібно занадто багато зв'язків), тому безпосередні контакти зберігаються лише між елементами одного рівня, а зв'язки між рівнями різко скорочуються.

Типовий вид ієрархічної системи:

  1 Техносфера Техніка + люди + ресурси + система споживання

2 Техніка Вся техніка

3 Галузь техніки Транспорт

4 Об'єднання Аерофлот, автотранспорт, ж/д транспорт

5 Підприємство Завод, метро, аеропорт Організм

6 Агрегат Локомотив, вагони, рейковий шлях Органи тіла: серце, легені і т.д.

7 Машина Локомотив, автомобіль, літак Клітка

8 Неоднорідний механізм (сукупність вузлів, що дозволяє здійснювати переклад енергії і речовини з одного виду в інший) Електростатичний генератор, двигун внутрішнього згоряння Молекули ДНК, РНК.

9 Однорідний механізм (сукупність вузлів, що дозволяє енергію і речовини не змінюючи їх виду) Гвинтовий домкрат, візок, вітрильне оснащення, годинники, трансформатор, бінокль Молекула гемоглобіну здатна транспортувати кисень

10 Вузол Вісь і два колеса (з'являється нова властивість - здатність кочення) Складні молекули, полімери

 

 Організація

 Загальне поняття.

Задача ТРТС - розкриття закономірності синтезу, функціонування і розвитку технічних систем. Організація - найважливіший елемент у всіх трьох періодах існування системи. Організація виникає одночасно зі структурою. По суті, організація це алгоритм спільного функціонування елементів системи в просторі і часі.

Французький біолог 18 в. Бонні писав: "Всі частини, складові тіло, настільки безпосередньо найбільш різна і різноманітне пов'язані один з одним в області своїх функцій, що вони невіддільні одне від одного, що спорідненість їх гранично тісно і що вони повинні були з'явитися одночасно. Артерії припускають наявність вен; функції як тих, так і інших припускають наявність нервів; ці припускають в свою чергу наявність мозку, а останній - наявність серця; кожне окреме умова - цілий ряд умов "(Гнєденко Б.В. та ін. За радою в природу. М .: Знання , 1977, с. 45).

Організація виникає, коли між елементами виникають об'єктивно закономірні, узгоджені, стійкі в часі зв'язку (відносини); при цьому одні властивості (якості) елементи висуваються на перший план (працюють, реалізуються, посилюються), а інші обмежуються, гасяться, маскуються. Корисні властивості трансформуються в процесі роботи у функції - дії, поведінку.

Головна умова виникнення організації - зв'язки між елементами та / або їх властивостями повинні перевищувати за потужністю (силі) зв'язки з несистемними елементами.

З виникненням організації знижується ентропія у виниклій системі в порівнянні з зовнішнім середовищем. Зовнішня Середа для ТС - це найчастіше інші технічні системи. Так що ентропія - це непотрібна для даної ГПФ (потреби) організація ("чужа" організація).

Ступінь організованості відображає ступінь передбачуваності поведінки системи при здійсненні ГПФ. Абсолютна передбачуваність неможлива, або можлива тільки для непрацюючих ("мертвих") систем. Повна непередбачуваність - коли системи немає, дезорганізація. Складність організації характеризується числом і різноманітністю елементів, числом і різноманітністю зв'язків, числом рівнів ієрархії.

Складність організації зростає при розгортанні ТС і зменшується при згортанні організація, як би, "заганяється" усередину речовини. При розгортанні на корисно-функціональних підсистемах, відпрацьовуються принципи організації (умови взаємодії, зв'язку та функції), потім організація переходить на мікрорівень (функція підсистеми виконується речовиною).

Зв'язки.

Зв'язок - це відношення між елементами системи.

Зв'язок - реальний фізичний (речовинний або польовий) канал для передачі Е (енергії), Р (речовини), І (інформації); причому інформації нематеріальній не буває, це завжди Е або В.

Головна умова роботи зв'язку - "різниця потенціалів" між елементами, тобто градієнт поля або речовини (відхилення від термодинамічної рівноваги - принцип Онзагера). При градієнті виникає рушійна сила, що викликає потік Е або В:

• градієнт температури - потік теплоти (теплопровідність),

• градієнт концентрації - потік речовини (дифузія),

• градієнт швидкості - потік імпульсу,

• градієнт електричного поля - електричний струм,

а також градієнти тиску, магнітного поля, щільності і т.д.

Часто в винахідницьких завданнях потрібно організувати потік при градієнті "не свого" поля. Наприклад, потік речовини (нітінолових пустотілих кульок) при градієнті температури - в задачі про вирівнювання температури по глибині басейну. Основні характеристики зв'язку: фізичне наповнення і потужність. Фізичне наповнення - це вид речовини або поля, використовуваного в зв'язку. Потужність - інтенсивність потоку В або Е. Потужність зв'язку повинна бути більше потужності позасистемних зв'язків, вище порогової - рівня шуму зовнішнього середовища.

Зв'язки в системі можуть бути:

• функціонально необхідні - для виконання ДПФ,

• допоміжні - збільшують надійність,

• шкідливі, зайві, надлишкові.

За типом з'єднання зв'язку бувають: лінійні, кільцеві, зоряні, транзитні, розгалужені і змішані.

Основні види зв'язків в технічних системах:

 одностороння

 двостороння

 нейтральна

 контр зв’язок

 позитивний зворотний зв'язок

 негативний зворотний зв'язок

 подвійний негативний зв'язок

Основні види зв'язків в технічних системах:

  1. Елементарні

  а) одностороння (напівпровідникова),

  б) рефлексивна (що виникає під дією зовнішньої причини),

  в) селективна (відсівати непотрібні потоки),

  г) запізніла (з затримкою за часом),

  д) позитивна (що збільшує потужність при збільшенні "різниці потенціалів"),

  е) негативна (яка зменшує потужність при збільшенні "різниці потенціалів"),

  ж) нейтральна (байдужа до напрямку),

  з) нульова,

  і) проектована (бажана).

  2. Комбіновані.

 л) двостороння (повністю провідна),

 м) контрзвязок (пропорційно залежний від стану елементів, між якими здійснюється зв'язок; наприклад, полюса магніту або потенціали джерела струму),

н) позитивний зворотний зв'язок. (при збільшенні потужності одного зв'язку збільшується потужність інший), механізм взаємної стимуляції функцій, веде до наростання процесів;

о) негативний зворотний зв'язок. (при збільшенні потужності одного зв'язку зменшується потужність інший), стабілізуючий механізм, веде до стійкого рівноваги або до коливань навколо точки рівноваги,

 п) подвійна негативний зворотний зв'язок, або зворотній зв'язок типу взаємного гноблення (при зменшенні потужності одного зв'язку зменшується також потужність інший), веде до нестійкого рівноваги, кінчають посиленням однієї зі сторін і придушенням інший.

При використанні комбінованих зв'язків у системи з'являються нові властивості. Розглянемо, наприклад, систему з двох елементів з негативним зворотним зв'язком:

 При збільшенні потенціалу А потужність позитивного зв'язку 1 зростає, що призводить до збільшення потенціалу Б. Але негативний зв'язок 2 пригнічує потенціал А. Система швидко приходить в стан стійкої рівноваги. При обриві зв'язку 1 потенціал А збільшується без придушення з боку Б. При обриві зв'язку 2 потенціал А збільшується і одночасно збільшується потенціал Б (позитивний зв'язок).

В системі з трьох елементів з'являється ще більш сильне якість.

 При збільшенні потенціалу А, збільшується Б, але по зв'язку 4 пригнічується А; по зв'язку 2 збільшується В, але по зв'язку 5 зменшується Б, а по зв'язку 6 зменшується В і т.д. Тобто, висновок будь-якого елементу зі стану рівноваги швидко взаємно пригнічується.

При обриві будь зв'язку, взаємне пригнічення також відбувається швидко по іншим зв'язкам. Те ж при обриві двох зв'язків.

В системі створюється стійка рівновага, при якому стан елемента може бути лише незначно зрушено від рівноваги.

Тут наведено приклад з однаковою комбінованої зв'язком (негативної). Інші, ще більш незвичайні, ефекти виникають в системах з різнорідними зв'язками, з великою кількістю елементів, з появою перехресних зв'язків (починаючи з діагональною в квадраті). Необхідна розробка по "накладенню" цих типів зв'язків на реполний аналіз.

 Управління.

Одне з важливих властивостей організації - можливість управління, тобто зміни або підтримки стану елементів в процесі функціонування системи. Управління йде по спеціальних зв'язків і являє собою послідовність команд в часі. Управління по відхиленню величини є найбільш поширеним і достовірним способом.

 3.4.4. Фактори що руйнують організацію.

До таких факторів належать три групи шкідливих впливів:

• зовнішні (надсистема, природа, людина),

• внутрішні (форсування або випадкові шкідливих властивостей),

• ентропійні (саморуйнування елементів через кінцівки терміну життя).

Зовнішні чинники руйнують зв'язку, якщо їх потужність перевищує потужність внутрішньосистемних зв'язків.

Внутрішні чинники споконвічно є в системі, але з плином часу через порушення в структурі їх кількість збільшується.

Приклади ентропійних факторів: зношування частин (винос з системи частини речовини), переродження зв'язків (втома пружин, іржа).

 

 Розробка нових технічних систем

При розробці нової технічної системи вибирають аналог з числа відомих систем і в ньому вдосконалюють зміст частин одного або декількох рівнів.

Задачі рівня 1. У задачі формулюється нова потреба, уточнюються умови і обмеження її реалізації. Знаходиться нова проблема, іноді незрозуміла для переважної більшості спеціалістів. Це найважчі завдання.

Задачі рівня 2. Для реалізації однієї і тієї ж потреби існує кілька альтернативних технічних функцій (ТФ). Проектувальнику належить знайти їх і вибрати перспективну з них. Вона розпізнається за способом фізичного перетворення, перетворення (з'єднання, передачі) вхідного потоку речовини, енергії, інформаційних сигналів у вихідний потік. Технічна функція дозволяє відповісти на питання що, як у що перетворюються вхідні потоки. Наприклад, в системі «світильник» вхідний потік електричного струму перетвориться у вихідний світловий потік, а в системі автомобіль вхідний потік палива перетворюється в рух автомобіля.

Задачі рівня 3. Для однієї і тієї ж технічної функції можна знайти кілька функціональних альтернативних структур (ФС). Більшість технічних систем складається з декількох частин, вузлів (двигун, редуктор, варіатор, передачі і т.д.). Кожна частина виконує свою головну функцію і реалізує свою технічну функцію. Частини, утворюючи ТС, нерозривно функціонально пов’язані  між собою і створюють функціональну структуру (ФС).

  При пошуку розроблювану технічну систему розбивають на вузли із зазначенням їх функцій. Потім за джерелами інформації знаходять відомі вузли функціонального ідентичного призначення і з них складають ТС з новими функціональними зв'язками.

Задачі рівня 4. Кожна функціональна структура системи може бути реалізована на основі різних фізичних принципів дії (ФПД). В задачі потрібно знайти варіанти технічної системи з застосуванням різних фізичних законів, закономірностей і явищ. Накопичені варіанти аналізуються при прийнятті рішень.

Задачі рівня 5. Один і той же фізичний принцип дії може бути реалізований великою числом варіантів технічних рішень. Рішення завдання зводиться до розробки різних варіантів і вибору кращих.

Задачі рівня 6. По кожному технічному рішенню з зміною параметрів в заданому просторі можна підібрати множину альтернативних варіантів проектів технічної системи. Задача проектувальника зводиться до того, щоб, використовуючи оптимізаційні методи, знайти найкращий варіант проекту.

З підвищенням рівня задач від 6 до 1 складність їх вирішення зростає, але й економічний ефект від результатів їх впровадження збільшується. У технічних вузах вчать вирішувати завдання шостого рівня. Це найпростіші завдання. Вони вирішуються відповідно до вимог стандартизації, уніфікації.

Практично сучасний інженер з вузівської підготовкою вміє вирішувати завдання 5-го і 6-го рівнів. Рішення задач більш високого рівня вимагає спеціальної підготовки інженерів по оволодівши методами науково-технічної творчості, методами активізації творчого процесу, знаннями і вміннями застосовувати на прак-тику фізичні закони, закономірності і явища.

Ідеальна технічна система

Технічні системи розвиваються за законом прогресивної еволюції. Це значить, що в системі кожного покоління поліпшуються критерії розвитку до наближення їх до глобального екстремуму. Кожна технічна система прагне до свого ідеалу, коли її параметри ваги, об'єму, площі і т.п. наближаються до екстремальних.

Ідеальна технічна система та, якої ніби немає, а функції її виконуються в повному обсязі самі по собі.

  Закономірність ідеальності цінна тим, що вона підказує, в якому напрямку має розвиватися ефективна технічна система. Прийнято вважати систему ідеальною, якщо вона має одну або кілька з таких властивостей:

1.Розміри системи наближаються або збігаються з розмірами оброблюваного або транспортованого об'єкта, а маса системи набагато менше маси об'єкта. Наприклад, в давнину сипучі матеріали зберігали і транспортували в глиняних посудинах, зараз в мішках.

2. Маса і розміри технічної системи або її головних функціональних елементів повинні наближатися до нуля, а в першому випадку дорівнюють нулю, коли пристрої немає, а необхідна функція виконується. Наприклад, поділ деревини на частини виконувалися пилкою. Але з'явилися лазерні установки для цих цілей. Ріжучого інструменту як би немає, але функції його виконуються.

3. Час обробки об'єкта прагне або дорівнює нулю (результат виходить відразу або миттєво). Основний шлях реалізації цієї властивості - інтенсифікація процесів, скорочення числа операцій, суміщення їх у просторі і в часі.

4. ККД ідеальної системи прагне до одиниці, а витрата енергії – до нуля.

5. Всі частини ідеальної системи виконують без простоїв корисну роботу в повній мірі своїх розрахункових можливостей.

6. Система функціонує нескінченно тривалий час без простоїв і ремонту.

7. Система функціонує без участі людини.

8. Ідеальна система не має шкідливого впливу на людину і навколишнє середовище.

 

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)

House Real Estate