Основні поняття, визначення та предмет курсу

ЛЕКЦІЯ № 1

“Технічна система (ТС), закони ЇЇ розвитку”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з сутністю теорії технічних систем, основними визначеннями та законами розвитку технічних систем.

 

План лекції:

1.Основні поняття, визначення та предмет курсу.

2.Види систем, поняття технічної системи.

3.Закони розвитку технічних систем.

 

Види систем, поняття технічної системи

 

За походженням системи бувають створеними природою (природні) та створеними людьми (виготовленими).

Введемо поняття технічної системи, як термін для позначення «абстрактної машини». Технічна система (ТС) в загальному випадку є виготовленою системою, що складається з сукупності елементів і відношень (зв’язків), які утворюють цілісну структуру об’єкту.

При вивченні ТС розглядають три сукупності об’єктів:

– неорганізовані;

– організовані з елементами, об’єднаними в стійку структуру, що має нові властивості;

– самопристосовувані – зі зміною зв’язків або структури під дією навколишнього середовища.

 

ЛЕКЦІЯ № 2

“ВИДИ ТА ОПИС ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з видами та описом технічних систем.

 

План лекції:

1.Види технічних систем.

2.Опис технічних систем.

 

Види технічних систем

 

Згідно з різними критеріями можна встановити велику кількість систем, класифікуючи їх:

а)За місцем системи в ієрархії:

- надсистема,

- система,

- підсистема.

б)За зв’язками з оточенням:

- відкриті (з певним довкіллям, тобто принаймні з одним входом або виходом);

- закриті або замкнуті (без зв’язку з довкіллям);

в)За зміною стану:

- динамічні (стан змінюється в часі);

- статичні (стан не змінюється в часі).

г)За характером функціонування:

- детерміновані (в залежності від стану системи можна однозначно судити про її функціонування);

- стохастичні (можна висловити тільки припущення відносно різних можливих варіантів функціонування);

д)За типом елементів (в розумінні їх конкретності):

- конкретні (елементами їх є реальні об’єкти);

- абстрактні (елементами є нереальні об’єкти).

е)За походженням системи:

- природні (створені природою);

- виготовлені (створені людьми).

є)За характером залежності виходів:

- комбінаторні (вихід залежить тільки від входу);

- секвентивні (вихід залежить від входу та інших величин).

ж)За рівнем складності структури:

- надзвичайно складні (мозок, народне господарство);

- дуже складні (завод-автомат);

- складні (верстат-автомат);

- прості (болтове з’єднання).

з)За видом елементів:

- системи типу «об’єкт» (елементами є речі – двигун, машина, патрон);

- системи типу «процес» (елементами є операції – виготовлення, фільтрація, перегонка, різання, шліфування).

 

Опис технічних систем

 

Розвиток знань пов’язаний з підвищенням складності підходів до дослідження та його методів, котрі вкладають наступну ієрархічну послідовність наукового опису ТС:

1. Параметричний – опис властивостей, ознак та відношень об’єкту на підставі емпіричних спостережень. Це найбільш проста форма і вихідний рівень дослідження об’єкту.

2. Морфологічний – перехід до визначення поелементного складу, побудови об’єкту та взаємовідносин параметрів, які виявлені на попередньому рівні.

3. Функціональний – перехід до функціональної залежності між параметрами (функціонально-параметричний опис), між елементами об’єкту (функціонально-морфологічний опис) або між параметрами і побудовою об’єкту.

4. Фізичний (поведінка об’єкту) – виявлення цілісної картини “життя” об’єкту і механізмів, які забезпечують зміну напрямків та “режимів” роботи об’єкту (найбільш складна форма наукового дослідження).

Наприклад, параметричний опис металорізального верстату як ТС це: основні технічні характеристики (технологічні, розмірні, кінематичні, силові, динамічні) та показники (продуктивність, точність, жорсткість, потужність, габарити тощо). Морфологічний опис верстату включає: джерело енергії, двигуни, передавально-перетворюючі та виконавчі механізми, системи керування. Функціонально-параметричний опис встановлює, наприклад, залежність точності обробки від жорсткості пружної системи верстату і режимів різання. Прикладом функціонально-морфологічного опису служить рівнянням балансу кінематичного ланцюга. Опис поведінки верстату може бути виконаний за допомогою таких фундаментальних законів, як закон збереження енергії, кількості речовини, імпульсу сили тощо.

 

Контрольні запитання для самоаналізу та тестування:

1.Як класифікуються ТС за місцем системи в ієрархії?

2.Як класифікуються ТС за зв’язками з оточенням?

3.Як класифікуються ТС за зміною стану?

4.Як класифікуються ТС за характером функціонування?

5.Як класифікуються ТС за типом елементів (в розумінні їх конкретності)?

6.Як класифікуються системи за походженням?

7.Як класифікуються ТС за характером залежності виходів?

8.Як класифікуються ТС за рівнем складності структури?

9.Як класифікуються ТС за видом елементів?

10.В чому полягає параметричний опис ТС?

11.В чому полягає морфологічний опис ТС?

12.В чому полягає функціональний опис ТС?

13.В чому полягає фізичний опис ТС?

14.Назвіть види наукового опису ТС в ієрархічній послідовності.

 

ЛЕКЦІЯ № 3

“Система перетворень”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з системою перетворень.

 

План лекції:

1.Модель системи перетворень.

2.Елементи системи перетворень.

 

Модель системи перетворень

 

Існують системи типу «об’єкт» і типу «процес».

Поряд з природними процесами людина організовує виготовлені процеси з метою здійснити необхідні або жадані для неї зміни.

Виготовлені процеси, в котрих ті чи інші властивості об’єкту дії (операнда) змінюються при участі людей і технічних засобів для досягнення бажаного стану операнда, називається перетвореннями.

Термін «операнд» (Od) обраний як загальна назва речей, систем та станів, які віддані цілеспрямованому перетворенню, як наслідку певних впливів, заснованих на фізичних, хімічних та біологічних явищах і описаних деякою інструкцією-рецептом, алгоритмом, технологією.

Дії на операнд виконуються операторами і є виходами операторів. На рис.1.6 представлена загальна модель процесу перетворення, де впливи операторів здійснюються у вигляді потоків матерії (S), енергії (E) та інформації (I).

Рис.1.6 – Модель процесу перетворення [1].

 

Типовими видами процесів в техніці є керування і регулювання. Керування – це процес в системі, завдяки якому одна чи кілька вхідних величин діють бажаним чином на інші, які вважаються вихідними. Регулювання – це процес завдяки якому деякі зміни (регульовані) величини безперервно співставляються з еталонними (керованими), причому на регульовані величини здійснюється вплив з метою приведення відповідних відхилень до нуля.

Відношення (R) – це взаємозалежність або вплив двох і більше об’єктів або явищ абстрактного або конкретного типу. Вираз «об’єкт Х знаходиться у відношенні R до об’єкту Y» записується так R(X,Y). Відношення може бути рефлексним, симетричним або транзитивним і характеризується так:

а) рефлексивність – кожний об’єкт еквівалентний самому собі;

б) симетричність – якщо один об’єкт еквівалентний іншому, то другий еквівалентний першому;

в) транзитивність – два об’єкти еквівалентні між собою, якщо вони роздільно еквівалентні третьому.

Якщо виконуються усі три умови, то відношення називається відношенням еквівалентності. Кореляція – це математична модель відношення в узагальненій формі.

Основою для побудови системи перетворень [див.рис.1.7] є такі припущення, які витікають з досвіду людей:

- бажані перетворення операнда (об’єкту перетворення) досягаються цілеспрямованими впливами матеріального (S), енергетичного (E) або інформаційного (I) типів;

- ці три типи впливів при будь-якому перетворенні здійснюються людьми (), технічними системами () і оточенням (Umg).

Рис.1.7 – Модель системи перетворень [1].

 

Приклад системи перетворення наведено в табл.1.1.

Інтерпретація моделі перетворень дозволяє зробити такі висновки:

1.Для задоволення потреб людей або вибирається необхідний об’єкт, або задається потрібний стан операнда. Цей стан () є метою перетворення.

2.Операндами перетворень можуть бути живі істоти, зокрема люди, а також матеріальні, енергетичні та інформаційні об’єкти.

3.Вибирають відповідний початковий стан операнда  як вхідну величину (або він задається). Стан  може бути досягнутий з декількох початкових станів .

4.Зміна  називається перетворенням.

5.Перетворення виникає або з незадовільного стану  або потребою в .

6.Перетворення виконується на підставі деякої технології, яка являє собою упорядковану сукупність цілеспрямованих часткових змін. Стан операнда  може бути досягнутий різними методами (технологіями).

7.Перетворення (як взагалі, так і часткове) здійснюється шляхом матеріального, енергетичного або інформаційного впливу на операнд.

8.Впливи здійснюються трьома системами-операторами: людьми, технічними системами та реальним оточенням. Усі названі оператори мають зв’язки (матеріальні, енергетичні і/або інформаційні) між собою.

Між процесом дії і процесом перетворення існує причинний зв’язок, а саме – зміни операнда в процесі перетворень () викликаються діями () технічної системи як причини. З іншого боку, ця причина (дія системи) є наслідком ланцюжка дій в системі, ініційованих вхідними впливами на систему.

Обробка речовини, енергії або сигналів передбачає виконання за допомогою технічних об’єктів (ТО) деякої чітко певної послідовності операцій. В зв’язку з цим технологією будемо називати спосіб, метод або програму перетворення речовини, енергії або інформаційних сигналів із заданого початкового стану у заданий кінцевий стан за допомогою певних ТО.

Різноманітність технологій така ж велика, як і різноманітність ТО, і завдяки інженерному творенню продовжує швидко підвищуватись. Наприклад, існують різні технології виготовлення болтів і гайок, переробка руди, тощо.

В останній час великого значення набули так звані інформаційні технології, де додатковим інструментом є моделювання, наприклад, за допомогою математичних моделей.

 

ЛЕКЦІЯ № 4

“технічні системи типу «технічний процес»”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з технічними системами типу «Технічний процес».

 

План лекції:

1.Визначення і модель технічного процесу.

2.Структура і операції технічного процесу.

3.Класифікація і опис технічних процесів.

 

 

ЛЕКЦІЯ № 5

“структура технічнічної системи типу «технічний об’єкт» (ТО)”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з структурою технічних систем типу «Технічний об’єкт».

 

План лекції:

1.Поняття про призначення і структуру технічної системи типу «Технічний об’єкт».

2.Функціональна та органоструктура технічної системи типу «Технічний об’єкт».

 

ЛЕКЦІЯ № 6

“технічнічні системи типу «технічний об’єкт»”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з технічними системами типу «Технічний об’єкт».

 

План лекції:

1.Конструктивна система технічної системи типу «Технічний об’єкт».

2.Параметри технічної системи типу «Технічний об’єкт».

3.Поняття про фізичну операцію.

4.Принцип дії технічної системи типу «Технічний об’єкт».

 

Типу «Технічний об’єкт»

 

Елементарною фізичною операцією є така фізична операція, яка може бути реалізована за допомогою одного фізико-технічного ефекту.

Фізико-технічний ефект – це застосування фізичних ефектів та явищ, що можуть бути реалізованими в технічних пристроях.

При вивченні будь-якої ТС слід виходити з того, що її робота ґрунтується на одному або декількох фізичних ефектах, законах або явищах.

Тобто фізичний ефект це результат дії одних фізичних об’єктів на інші, що призводить до певних змін значень фізичних величин.

Окремий фізичний ефект можна записати трьома компонентами: фізична дія, фізичний об’єкт, на котрий дія направлена, результат фізичної дії, тобто

(А,В,С) або (А→В→С),

 

де А – вхідний потік речовини, енергії або сигналів;

С – вихідний потік;

В – фізичний об’єкт, який забезпечує або здійснює перетворення А в С.

Звичайно, при розв’язанні технічної задачі використовується декілька фізичних ефектів, які створюють фізичний принцип дії ТС.

Фізичний принцип дії – структура сполучених фізичних ефектів, об’єднаних так, що результат дій попереднього фізичного ефекту еквівалентний вхідній дії наступного фізичного ефекту, причому у сукупності фізичні ефекти забезпечують перетворення заданої початкової вхідної дії у заданий кінцевий результат.

 

Контрольні запитання для самоаналізу та тестування:

1.Які типи відношень існують в конструктивних схемах?

2.Особливості просторових відношень?

3.Особливості механічних відношень?

4.Особливості енергетичних відношень?

5.Чим визначається конструктивна схема?

6.Що характеризують параметри та показники ТС?

7.Назвіть основні показники машин.

8.Назвіть найважливішу властивість машин.

9.Які характеристики машин відносять до якісних?

10.Яку інформацію необхідно мати для опису технічної функції?

11.Визначте фізичну операцію.

12.Як формалізовано записується фізична операція?

13.Сутність елементарної фізичної операції.

14.Визначте фізичний принцип дії.

15.Визначте фізичний ефект.

ЛЕКЦІЯ № 7

“закони побудови технічнічних систем”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів із законами побудови технічних систем.

 

План лекції:

1.Вступ.

2.Закон прогресивної еволюції техніки.

3.Закон відповідності між функцією та структурою.

4.Закон стадійного розвитку технічних систем.

 

ЛЕКЦІЯ № 8

“створення нових технічнічних систем”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів зі створенням нових технічних систем.

 

План лекції:

1.Методологія створення технічних систем.

2.Стадії та етапи технічного проектування технічних систем.

3.Загально-технічні основи конструювання технічних систем.

4.Пошукове проектування технічних систем.

 

Технічних систем

 

Процес конструювання безперервно удосконалюється у напрямку розробки нових методів роботи конструктора, розширення повторного використання конструкторської документації, покращення умов інформованості. застосування технічних засобів ЕОМ. Повторне використання існуючої конструкторської документації сприяє економії засобів на проектування, а також і економії на підготовку виробництва, тому що якщо виріб вже використовувався, то, отже, ітехнологічна сторона питання вирішена. Ефективне також часткове використання готової документації або повне використання розробки як частини нового проекту.

Слід пам'ятати, що в процесі конструювання необхідно:

– суворо дотримуватись вимог ЄСКД;

– дотримуватись патентної чистоти конструкції, пам'ятаючи, що використання закордонних запатентованих конструкцій допустимо лише на законних підставах;

– широко використовувати стандартні, нормалізовані і уніфіковані у даній галузі (на даному підприємстві) деталі;

– прямувати до обмеження номенклатури матеріалів, намагаючись застосувати лише ті, котрі не є дефіцитними в певній галузі;

– пам'ятати, що як і у всякій життєвій ситуації, на завжди перше рішення е найкращим; найкраще рішення знаходять іноді завдяки (або в результаті) послідовної розробки ряду варіантів. Корисно кілька варіантів забракувати на папері, ніж один у натурі.

При створенні нових ТС необхідно враховувати такі технічні вимоги:

1.Систему типізації машин.

2.Автоматизацію керування сучасними машинами.

3.Зниження маси сучасної машини.

4.Технологічність сучасної машини.

5.Надійність машини.

6.Художньо-естетичне оформлення машин.

7.Небезпечність роботи машини.

8.Конкуренте здатність машини.

9.Характер діяльності оператора у керуванні машиною.

10.Систему людина-машина.

11.Розподіл функцій керування в сучасних машинах.

12.Надійність людини-оператора.

13.Системний підхід до конструювання.

Конструкторські документації (КД) ескізного, технічного і робочого проектів істотно відрізняються.

Склад КД на стадії ескізного проекту:

1) загальний вид машини (ескізний);

2) кінематична схема;

3) загальні види основних вузлів;

4) пояснювальна записка з такими розділами: а) технічна характеристика машини (призначення, габарити, маси, потужність, продуктивність, режим роботи і т.і.); б) опис конструкції машини із зазначенням її особливостей; в) розрахунок ТЕП роботи машини в порівнянні з найбільш високими показниками на даний час;

5) розрахунки (кінематичні, динамічні, на міцність та інші).

Склад КД на стадії технічного проекту:

1) креслення загального виду машини;

2) креслення загальних видів вузлів машини; кінематичні електричні, гідравлічні та інші схеми, перелік комплектуючих виробів; перелік спеціального інструменту і запасних частин;

3) пояснювальна записка з такими розділами: а) призначення та область використання розробленої машини; б) огляд існую зразків машин конкретного призначення вітчизняного закордонного виробництва і порівняльна оцінка їх конструктивних особливостей і експлуатаційних показників; в) короткий конструктивних особливостей нової машини; г) рішення питань; техніки безпеки і виробничої санітарії; д) рішення питань; технологічності з точки зору виробничих умов заводу-виробника; е) розрахунки масштабу виробництва нових машин і ефекту від; впровадження їх у народному господарстві;

4) розрахункова записка, яка містить детальні розрахунку кінематичні, динамічні, на міцність та інші.

Склад КД на стадії робочого проекту:

1) креслення загальних видів;

2) креслення вузлів та деталей;

3) специфікація деталей;

4) кінематична, електрична, гідравлічна, пневматична схеми, циклограми та інше;

5) пояснювальна записка з технічною характеристикою і перевірочними розрахунками вузлів і деталей;

6) проект технічних умов на виготовлення, приймання, упаковку і транспортування (при необхідності включаючи креслення тари, розміщення і закріплення на залізничному рухомому потязі);

7) відомості оригінальних і нормалізованих деталей і вузлів, покупних деталей і виробів, застосування посадочних розмірів, різей, модулів тощо;

8) технічний паспорт і інструкція з експлуатації, догляду та монтажу (з пояснювальними схемами і кресленнями) з картою змащування, складеною згідно з відповідною інструкцією;

9) відомі погодження комплектуючих виробів;

10) проект програми випробувань.

В загальній документації робочого проекту креслення деталей складають приблизно 60-80 %.

ЛЕКЦІЯ № 9

“аналіз технічнічних систем”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з аналізом технічних систем.

 

План лекції:

1.Поняття про аналіз технічних систем.

2.Математична постановка типових задач аналізу технічних систем.

3.Аналіз технічних процесів.

4.Функціонально-вартістний аналіз технічних систем.

 

Аналіз технічних процесів

 

Процедури аналізу технічних процесів передбачають розв’язання їх ф ункціональних моделей.

Функціональні моделі відображають фізичні процеси, що мають місце в ТС (наприклад, у функціональному обладнанні, інструменті, пристосуванні, оброблюваному матеріалі). Розповсюдженими є дискретні моделі, змінні яких дискретні, а кількість рішень обмежена. В більшості випадків проектування процесів використовують статичні моделі, рівняння яких не враховують інерційність процесів в ТС.

За формою зв’язків між вихідними, внутрішніми і зовнішніми параметрами при здійсненні технічних процесів розрізняють моделі у вигляді систем рівнянь (алгоритмічні моделі) і моделі у вигляді залежностей вихідних параметрів від внутрішніх і зовнішніх моделей.

Опис математичних співвідношень на рівнях структурних і кількісних властивостей приймає конкретні форми певного технічного процесу.

Особливості процедур аналізу технічних процесів в залежності від складності задач визначають різні принципи побудови і вибору моделей. Часто виникає необхідність розробки менш точної моделі, але разом з тим більш корисної для практики. Виникають дві задачі: з одного боку, - треба розробити модель, на якій простіше отримати чисельне розв’язання, а з другого - забезпечити максимально можливу точність моделі. З метою спрощення ММ для аналізу використовують такі прийоми, як виключення параметрів, зміна характеру параметрів, зміна функціональних співвідношень між параметрами (наприклад, лінійна апроксимація), зміна обмежень (їх модифікація, поступове включення обмежень до умови задачі).

Процедури аналізу технічних процесів передбачають використання типових методів і алгоритмів рішення задач, які розглянуті вище.

 

Література

 

1. Кузнєцов Ю.М., Луців І.В., Дубняк С.А. Теорія технічних систем. – К.: – Тернопіль, 1997.
2. Хубка В. Теория технических систем. – М.: Мир, 1987.

ДОДАТКИ

 

ДОДАТОК А

 

ДОДАТОК Б

 

Приклад розв’язання тестового запитання

В тесті з модуля n студент групи МВ-04 Іванов Іван Іванович отримав варіант № m запитання 2 якого зображено нижче:

2	Скільки робочих дій відповідає операції?
	А одна
	Б дві
	В три
	Г декілька
	Д немає вірної відповіді

Вважаючи, що вірною відповіддю є «А одна» він вказує в тестовому листку:

П Іванов
І Іван
Б Іванович
Група МВ-04
Варіант завдання __ m ___ Модуль            __ n ___
№	Варіант відповіді
1	А	Б	В	Г	Д	Е
2	×	Б	В	Г	Д	Е
3	А	Б	В	Г	Д	Е
4	А	Б	В	Г	Д	Е
5	А	Б	В	Г	Д	Е

 

Навчально-методичне видання

 

 

Теорія технічних систем

Конспект лекцій

з елементами кредитно-модульної системи організації навчального процесу

 

Укладач: Ковришкін М.О., к.т.н., доц.

ЛЕКЦІЯ № 1

“Технічна система (ТС), закони ЇЇ розвитку”

 

Мета лекції: Ознайомлення студентів з сутністю теорії технічних систем, основними визначеннями та законами розвитку технічних систем.

 

План лекції:

1.Основні поняття, визначення та предмет курсу.

2.Види систем, поняття технічної системи.

3.Закони розвитку технічних систем.

 

Основні поняття, визначення та предмет курсу

 

Курс "Теорія технічних систем" містить цикл лекцій та практичних занять, що спрямовані на підвищення кваліфікації майбутнього інженера як новатора, творця і винахідника, котрий повинен в найкоротший термін впровадити нові технічні ідеї у виробництво.

Предметом курсу є ТС та її елементи з протиріччями, які створюють проблемну ситуацію, вирішення якої можливо шляхом синтезу нової, більш прогресивної системи.

Метою курсу є придбання студентами:

– знань закономірностей розвитку ТС і творчого мислення при створенні ТС, сучасних методів пошуку технічних рішень, активізації творчості, принципів та прийомів подолання технічних протиріч;

– вміння застосувати на практиці сучасні прийоми та методи науково-технічної творчості при створенні ТС, розробляти за їх допомогою нові технічні рішення, оформити заявку на винахід;

– навичок у рішеннях, пов'язаних з проектуванням, виготовленням, дослідженням та експлуатацією ТС різних класів.

Розглянемо базові поняття курсу.

Система – це сукупність, яка створена і упорядкована за певними правилами з скінченої множини елементів.

В загальному випадку між елементами системи існують певні зв’язки.

Системний підхід – вимагає розглядати систему як частину над системи, з елементами якої вона пов’язана, а окремі елементи системи можна розглядати як підсистеми.

Наприклад, для верстата-автомата:

Рис.1.1 – Ієрархія ТС на прикладі автоматичної лінії [1].

Розглянемо різновиди систем за походженням [див.рис.1.2].

Для опису систем використовують узагальнену модель системи [див.рис.1.3].

Ціль (мета) – це якісний стан справ, до здійснення якого прямують. Поведінка – це множина послідовних у часі станів системи.

Рис.1.2 – Розподіл систем за їх походженням [1].

Рис.1.3 – Узагальнена модель системи [1].

Цілеспрямована поведінка система називається функцією.

Поведінку ТС називають функціонуванням.

Структура системи характеризує внутрішню організацію, порядок і побудову системи, тобто структура – це сукупність елементів і співвідношень (зв’язків) між ними.

Оточення (навколишнє середовище Umg) системи – це все те, що не входить до системи.

Вхід (In) – це зовнішнє відношення навколишнього середовища до системи, тобто навколишнє середовище –> система.

Вихід (Ou) – це зовнішнє відношення системи до навколишнього середовища, тобто система –> навколишнє середовище.

Входи і виходи системи включають усі види зв’язків з навколишнім середовищем: бажані і небажані зв’язки матеріального (S), енергетичного (E) та інформаційного (I) характеру.

Система, її елементи і відносини володіють властивостями, які належать цій системі і її визначають.

Тобто, властивістю є будь-яка суттєва ознака об’єкта.

Сукупність значень властивостей системи в зазначений момент часу називають станом системи.

Два стани системи можуть бути або однаковими, або різними.

Різницею між станами системи називають відмінність, яка виникає при переході від одного стану до іншого. Різниця може бути диференційованою або дискретною.