Функціональна структура технічної системи

 

Технічна функція - це спроможність системи за певних умов перетворювати вхідну величину у необхідну вихідну, забезпечуючи чітку відповідність залежної вихідної величини від незалежної вхідної.

З множини можливих характеристик функцій роздивимося такі (особливо важливі перші три з них):

1. Складність функції. Кожна технічна функція характеризується визначеним ступенем складності. Самий нижній щабель ієрархії складності займають елементарні функції, що далі спростити вже не можна.

2. Ступінь абстрактності функції. Технічну функцію можна описати з різним ступенем конкретності (абстрактності), що впливає на кількість можливих засобів для її виконання (носіїв функції). Наприклад, якщо розглядається функція “зміна нарямку”, то діапазон засобів для її реалізації дуже широкий. З конкретизацією умов і вимог до функції (тут можуть з'явитися конструктивні ознаки) діапазон засобів усе більш звужуєтьсяя доти, поки не залишається конкретна технічна система.

3. Призначення функції. Робочої функції, що виконує технічна система на основі обраного засобу дії, звичайно супроводжується рядом інших функцій, що забезпечують або полегшують її здійснення. До таких функцій ставляться допоміжні функції підготування, обслуговування, керування, регулювання й узгодження.

4. Логічна функція. Логічна функція перетворить одну або дві незалежні перемінні величини в залежні, що можуть приймати тільки два значення (наприклад, 0,1).

5. Узагальнена елементарна функція. Це елементарна функція, що утворюється при об'єднанні операцій загального характеру (накопичення, передача, перетворення) з об'єктами таких категорій, як людина, матерія, енергія й інформація.

6. Нормативна елементарна функція. Це елементарна функція, що відповідає стандартним операціям об'єднання, поділу і керування.

7. Фізична елементарна функція. Це функція, що відповідає дванадцятьом основним фізичним операціям, до яких відносяться: випускати, відокремлювати, збирати, підганяти, перетворювати, множити, спрямовувати, з'єднувати, підключати, змінювати напрямок, установлювати, берегти.

Функціональні структури можна будувати двома шляхами. У першому випадку виходять з уявлення технічної системи у виді “чорного ящика”, тобто функції і їхнього відношення визначаються як засоби реалізації дії у технічному процесі. При цьому задаються входи і засіб дії, після чого здійснюється побудова функціональної структури на тому або іншому рівні абстрагування і повноти.

У другому випадку по органоструктурі або конструктивній схемі будують детальну функціональну структуру з різноманітними функціями і підфункціями або, вважаючи деякі функції несуттєвими з погляду перетворень, одержують структуру, аналогічну випадку “чорного ящика”. При цьому у функціональній структурі вже надається зафіксованим ряд конструктивних ознак. Так, вихідні впливи технічної системи задаються визначеною технологією перетворень, а засіб дії визначається місцем, характером дії й умовами його виконання (табл.6.2.). Кількість такого роду конструктивних ознак обумовлена функціональною структурою, залежить від ступеня абстрактности і характеризує ступінь повноти опису технічної системи.

Таблиця 6.2.

Дії технічних систем: ознаки і їх втілення.

Характеристика дії	I рівень		II рівень
	Ознака	Втілення	Ознака	Втілення
Дія   Місце дії   Умови дії	Вид   Рід     Вид   Форма Положення   Параметри Поверхня     Середовище Тиск Температура Поле	Робочий рух     Вплив сили   Вплив тепла     Вплив поля   Простір, поверхня, лінія, точка   Фіксоване Середовище Тіло Горизонтальне, вертикальне Од. довжини 1...n Твердість, якість опрацювання Газ, рідина Од. тиску Од. температури Електричне магнітне	Вид     Напрямок Параметри   Протікання в часу Кількість Розмір Напрямок Протікання в часі Кількість Параметри   Вид ¼	Ступінь свободи (див. мал.5.8.) , ,  швидкість,прискорення Тривалість, частота 1...n Од. сили , , F=f(t) 1...n  Теплова енергія, температура Електричне магнітне ¼

 

 6.4.Конструктивна схема технічної системи.

 

Розробка конструктивної схеми технічної системи являє собою початкову стадію конкретного конструювання, і тому конструктивна схема повинна відбивати усі властивості, встановлені в якості вимог до цієї системи, і умови, необхідні для її реалізації.

Конструктивна схема являє собою опис технічної системи конструктивними елементами; вона повинна містити упорядковану сукупність конструктивних елементів і їхніх відношень.

Конструктивна схема системи будується і з конструктивних елементів. Конструктивний елемент може мати будь-який ступінь складності в залежності від рівня складності системи, ступеня абстрактності її уявлення і походження конструктивного елемента (що виготовляється або що закуповується). Для значного виробничого комплексу це може бути спорудження або складна виробнича лінія, а для механізму - простий стрижень. Відносність поняття “конструктивний елемент” ще більш зростає, якщо до уваги приймається такий аспект, як організація виробництва. Це добре очевидно зі специфікації до мал.6.1.; так, специфікація коробки передач передбачає чотири рівні структури об'єкта.

Для стану “складання”, що відповідає стадії “конструювання” (або “виготовлення”), у конструктивній схемі технічної системи існує три типи відношень:

- просторове відношення (визначається розташуванням елементів технічної системи в просторі);

- механічні відношення (зв'язку) окремих елементів (характеризується ступенями свободи, див. мал.5.3.);

- енергетичні відношення, що задаються, зокрема, силовою взаємодією між деталями (наприклад, завдання сили обертання гвинта).

З конструктивних елементів і їхніх просторових відношень автоматично випливають деякі енергетичні й інші види зв'язків (наприклад, по ущільненню, електроізоляції, теплоізоляції).

На основі сформульованих вище точок зору можуть бути встановлені такі принципи класифікації конструктивних елементів:

Складність. Конструктивними елементами різноманітного ступеня складності є деталь, вузол (декілька рівнів), машина, апарат, підприємство (декілька рівнів).

Ступінь абстрактності. Широкий діапазон ступенів абстрактності, від абстрактного позначення конструктивного елемента, що охоплює клас або групу елементів, до повного опису конструктивних елементів через конструктивні властивості.

Призначення. Широкий вибір призначень, характерних для різноманітних галузей техніки. Визначення машинних елементів у машинобудуванні близько до прийнятого тут визначення конструктивних елементів.

Положення. У залежності від положення конструктивного елемента щодо межі технічної системи розрізняють: а) крайової або граничний конструктивний елемент і б) внутрішній конструктивний елемент. Далі, потрібно виділити зовнішні граничні елементи, що лежать на зовнішній межі технічної системи; вони визначають місце дії і безпосередньо здійснюють дію. Крім них, розрізняють внутрішні граничні елементи, розташовані на стиках між внутрішніми підсистемами.

Конструктивна схема визначається не тільки типом впливу, засобом дії і властивостями операнда, що вона повинна реалізувати, але також і принципом її побудови. Типовим є, наприклад, модульний принцип побудови, що зарекомендував себе не тільки при проектуванні, але також при виготовленні і використанні технічних систем. Часто комбінують різноманітні принципи, що дозволяє сполучити їхні позитивні якості і виключати недоліки.

Оскільки уявлення конструктивної схеми в більшості випадків є свого роду інструкцією зі створення технічної системи, тут на відміну від абстрактних структур уже давно розроблені норми і правила, що забезпечують однаковість. У ще більшому ступені регламентуються ескізні і конструкторські креслення. У своїй більшості їхні зображення близькі до стандартів для деталірованих креслень, що забезпечує простоту й однаковість показу зв'язків між ними.

Конструктивна схема може розроблятися на основі або функціональної структури, або органоструктури. Внаслідок складності задачі конструювання, перехід від загальних вимог до конструкторських властивостей варто здійснювати методом послідовних наближень. У машинобудуванні, наприклад, конструктивна схема проробляється в трьох етапах: ескіз - конструкторські креслення - деталіровані і складальні креслення. Конструкція, розроблена на основі конструктивної схеми, повинна задовольняти всім поставленим вимогам і утілювати усі властивості, що виявляються поступово в процесі конструювання.

Технічна система може бути визначена цілком тільки на стадії конкретного конструювання шляхом завдання всіх конструктивних ознак і властивостей. Таким чином, ясно, що при проектуванні потрібно враховувати складність технічної системи, оскільки конструктивні ознаки і властивості можуть бути визначені лише в тому випадку, коли розробка системи (простої або складної) доведена до рівня конструктивних елементів.

Описана картина дає лише загальну орієнтацію в процесі проектування, тому що кількісна міра для таких понять, як абстрактность і повнота, точно не встановлена і встановити її важко. Перетворення однієї структури в іншу здійснюється шляхом установлення деяких (або абстрагування від деяких) конструктивних ознак або властивостей. Тому що кожну таку ознаку можна втілити по-різному, у результаті кожного кроку при переході від абстрактної до конкретної структури будуть виникати декілька варіантів. Таким чином, відношення між аналізованими структурами є гомоморфним.

Саме перетворення структур технічних систем і складають утримання більшості інженерних задач, так що теорія технічних систем набуває особливого значення в методології проектування і конструювання, дозволяючи розробити оптимальний алгоритм процесу.

 

 

Таблиця 6.3.

 

Конструктивні ознаки технічних систем.

Структура	Характеристика	Приклади ознак
Технічний процес	Ознаки, що обгрунтовують і пояснюють вид впливу TS (як цілого), допоміжні дії й умови	Технологічна ознака Технологія Послідовність часткових перетворень Ступінь участі TS у ТР Кількість TS у ТР Дії Місця дії Умови
Функціональна структура	Ознаки, що обгрунтовують і характеризують внутрішні функціональні ланцюжки, у яких необхідними входами досягаеться дія	Входи, основні і побічні Ланцюжки дій Засоби дії Виконувані функції Ступінь механізації Ступінь автоматизації Агрегація функцій Поділ функцій
Органострук тура	Ознаки, що обгрунтовують і характеризують внутрішні ланцюжки дії (внутрішні задачі), призначені для виконання функціональних ланцюжків	Принцип дії Виконувані функції і виконавчі органи Агрегація виконавчих органів Поділ виконавчих органів ¼ Попереднє упорядкування в просторі місць зв'язку з іншими TS
Конструктивна  схема	Ознаки, що обгрунтовують і характеризують втілення TS і усіх властивостей при заданих умовах	Вид схеми Виконувані функції Тривкість, жорсткість, пругкість, знос, твердість Температурна стабільність ¼ Групи конструктивних елементів

 

Висновки.

 

Узагальнимо результати, отримані в цій главі, у такий спосіб.

1. Задачею (метою, призначенням) технічної системи є виконання визначеної дії в технічному процесі.

2.Дії відбуваються на межі технічної системи за певних умов (див. табл.6.2.).

3. Вплив реалізується як вихід процесу дії (ланцюжки дій), у якому вхідні розміри перетворюються у вихідні впливи. Процес дії визначається структурою технічного процесу, у зв'язку з чим говорять про засіб дії технічної системи. Процес дії викликається безпосередньою причиною і відбувається в потрібний момент (період) часу.

4. Процес і засіб дії характеризуються перетвореннями матеріальних, енергетичних і інформаційних входів усередині технічної системи. Внутрішні перетворення називаються технічними функціями й утворюють, у рамках однієї технічної системи, її функціональну структуру.

5. Технічна функція описує спроможність технічної системи перетворювати вхідні величини в необхідні вихідні шляхом упорядкованого використання природних явищ і законів.

6. Вхідними величинами технічних систем є матерія, енергія й інформація.

7. На стадіях виникнення, використання і ліквідації технічна система знаходиться в різноманітних станах і грає різноманітні ролі в залежності від того, до якої системи перетворень вона належить.

8. Технічна система знаходиться у визначених відношеннях із всіма елементами відповідної системи перетворень. Поряд із відомими бажаними входами і виходами є також і небажані входи і виходи, що називаються перешкодами.

9. Функції (функціональні структури) реалізуються виконавчими органами (органоструктурами) на основі визначених принципів дії. Виконавчі органи є засобом реалізації функції. Для виконання кожної функції може бути обраний бажаний принцип дії з декількох можливих.

10. Виконавчі органи (органоструктури) конкретизуються у виді конструктивних елементів (конструктивних схем). Конструктивна схема втілює (в узагальненому виді) усі необхідні властивості й ознаки технічної системи. Органоструктура може бути реалізована різноманітними конструктивними схемами.

11. Кожна з названих вище структур технічної системи характеризується більшим або меншим ступенем втілення тих або інших конструктивних ознак і властивостей.

12. Кожна функція, кожний виконавчий орган або конструктивний елемент являє собою систему підфункцій, підорганів або конструктивних піделементів, що випливає із системного характеру технічних об'єктів і процесів.

7. Системи перетворень технічних систем.

 

Людина має потреби, задоволення котрих необхідно для підтримки її життя. Він потребуває в їжі, захисту від небезпеки і непогоди, вона повинна мати можливість лікуватися у випадку хвороби. Проте на відміну від інших живих істот потреби і бажання людини постійно ростуть; це пов'язано з розвитком цивілізації, прогресом техніки і ростом добробуту. Підвищені претензії викликають проблеми їх задоволення, тому що для цього недостатньо фізичних сил і можливостей органів почуттів людини. Тому людина шукає рішення, що дозволяють усунути ці проблеми.

Для задоволення своїх потреб людина знаходить у природі лише деякі повноцінні засоби. У більшості ж випадків вона змушена діяти на ці засоби незліченними засобами: змінювати, нарощувати, комбінувати. Вона повинна краяти, варити, солити, плавити, розкладати, транспортувати, берегти, перетворювати і використовувати енергію, будувати, руйнувати, рахувати і багато чого іншого.

У результаті здійснення цих процесів властивостям операндів надается додаткова цінність, у міру того як операнд трансформується і досягає стану, достатнього для задоволення потреб.

Назвемо процеси такого роду перетвореннями і визначимо деякі поняття й ознаки. Для наочності і повноти систематизації на мал.7.1 подані всі типи елементів і дій, що входять у модель перетворень. Основою для побудови цієї моделі є такі припущення, що випливають із досвіду людей:

- бажані перетворення операнда (об'єкта перетворення) досягаються цілеспрямованими впливами матеріального (S), енергетичного (En) або інформаційного (I) типів;

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

У рамках глобальної системи, що включає Землю, людське товариство і, у перспективі, елементи Сонячної системи, може бути створена майже безкінечна множина систем перетворень. Окремий елемент часто входить у декілька систем перетворень, наприклад людина, що їсть у вагоні-ресторані, перегортає газету й одночасно обговорює новини із сусідами по столі.

Така інтепретація моделі перетворень дозволяє зробити такі висновки.

1. Для задоволення потреби людей або вибирається необхідний об'єкт, або задається необхідний стан операнда. Цей стан (Od2) є метою перетворення.

2. Операндами перетворення можуть бути живі істоти, зокрема, люди, a також матеріальні, енергетичні й інформаційні об'єкти.

3. Вибирають підхожий початковий стан операнда Od¹ у якості вхідної величини (або вона задається). Стан Od² може бути досягнуте з декількох початкових станів Od¹.

4. Зміна Od¹®Od² називається перетворенням.

5. Перетворення визивається або незадовільним станом Od¹ бо потребою a Od².

6. Перетворення виконується на основі деякої технології, що являє собою упорядковану сукупність цілеспрямованих часткових змін. Стан операнда Od² може бути досягнуто різноманітними засобами (технологіями).

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

8. Вплив здійснюється трьома системами-операторами: людьми, технічними системами і реальним оточенням. Всі названі оператори мають зв'язки (матеріального, енергетичного або інформаційного типу) між собою.

Мал.7.1.Модель системи перетворень.

 

Модель охоплює, як це показано в табл.7.1., усі види перетворень операндов усіх типів при будь-якому варіанті участі систем-операторів у впливах.