Функциональная структура технического объекта

 

Конструктивная функциональная структура ( КФС ) отображает физическую связь между отдельными элементами.

Потоковая функциональная структура ( ПФС ) – взаимосвязь между элементами; элементы реализуют различные физические операции, образуя при этом поток преобразованного вещества, энергии, сигналов.

Большинство технических объектов состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов). Каждый элемент может рассматриваться как самостоятельный технический объект. Между элементами существует два вида связей и соответственно два вида их структурной организации (конструктивная функциональная структура и потоковая функциональная структура).

Во-первых, элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру, такая структура содержит как наименования элементов, так и их функции.

Во-вторых, между элементами имеются потоковые связи. При этом элементы ТО реализуют определенные физические операции, образуя поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов или других факторов.

Например, в гидроэлектростанции на входе имеется поток воды, а на выходе – электрический ток; в вальцовом станке мукомольного предприятия на входе – зерно с определенными физическими параметрами, а на выходе – продукт измельчения. В этом случае говорят, что между элементами существуют потоковые связи.

Такие потоки объединяют и связывают элементы технического объекта и соответственно их физические операции. В сложных технических объектах часто присутствует несколько взаимосвязанных потоков.

Взаимосвязанный набор физических операций, реализующих один определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов, либо несколько взаимосвязанных потоков, называют потоковой функциональной структурой. Различают две разновидности потоковой функциональной структуры:

1) конкретизированная потоковая функциональная структура.

Она содержит наименования элементов, а также входные АТ и выходные СТ потоки;

2) абстрагированная потоковая функциональная структура. Она

содержит наименования операций Е, а также входные АТ и выходные СТ потоки. Абстрагированную потоковую функциональную структуру называют также структурой физических операций ( СВП ).

Таким образом, существуют функциональные структуры технических объектов двух видов: конструктивнаяФС и потоковая ФС, которые дополняют друг друга. При решении различных прикладных задач используют или только конструктивную ФС, или потоковую ФС, или одновременно обе разновидности.

В потоковой функциональной структуре каждый элемент реализует определенную физическую операцию, то есть ТО должен иметь такую конструктивную ФС, чтобы обеспечить нужную потоковую ФС. Реализация физической операции происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов. Под физико-техническими эффектами понимают различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах.

Обобщенное качественное описание физико-технического эффекта (так же, как и физической операции) можно представить в виде трех компонент:

ФТЭ = (А, В, С,) ФО = (АТ, Е, СТ),                      (4)

где А – входной поток вещества, энергии или сигналов;

С – выходной поток;

В – физический объект, обеспечивающий преобразование А в С.

Примечание. Сопоставьте: при описании физических операций тоже использовались входной и выходной поток вещества, но вместо физического объекта использовалось наименование операции.

В таблице 3 приведены примеры описания физико-технических эффектов.

Таблица 3 – Примеры описания технических объектов

Наименование физическо-технического эффекта	А (входной поток)	В (физический объект)	С (выходной поток)
Закон Гука	Сила	Твердое тело	Линейная деформация
Закон Джоуля-Ленца	Электрический ток	Проводник	Теплота
Термоэлектронная эмиссия	Нагревание	Оксидная суспензия	Поток электронов

 

Физический принцип действия

Описание физического принципа действия (ФПД) включает наименования физических объектов В, а также входные А и выходные С потоки вещества, энергии или сигналов. Таким образом, во многих случаях физический принцип действия легко построить с помощью потоковой функциональной структуры путем замены наименований элементов (что было – что стало: зерно – мука) или физических операций на наименования объектов В.

Описание физического принципа действия, как правило, содержит изображение принципиальной схемы ТО, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию физического принципа действия, и указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку технического решения.

Техническое решение

Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное оформление физического принципа действия или функциональной структуры. Техническое решение конкретного технического объекта, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки технического объекта в целом и его элементов.

При этом используют следующие группы признаков:

- указание (перечень) основных элементов;

- взаимное расположение элементов в пространстве;

- способы и средства соединения и связи элементов между собой;

- последовательность взаимодействия элементов во времени;

- особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и др.);

- принципиально важные соотношения параметров для технического объекта в целом или отдельных элементов.

В зависимости от вида рассматриваемого технического объекта, элементом может быть часть детали, деталь, узел, блок, агрегат, техническая система (ТС), комплекс технических систем (ТС).

При описании технических решений некоторых технических объектов может использоваться только часть признаков.

Техническое решение конкретного технического объекта может быть описано с любой степенью детализации. Для этого используют иерархический набор двухуровневых описаний технических решений, то есть сначала описывают техническое решение устройства в целом, затем техническое решение каждого блока, далее – каждого узла и т. д. Описание технического решения дополняют его графическим изображением. Во всех патентных и авторских свидетельствах на устройства дается описание технического решения прототипа и нового решения.

Пример описания ТР для ТО, которым является велосипед.

Велосипед состоит из следующих элементов:

- переднего колеса, на ось которого опираются концы передней

вилки;

- передней вилки, соединенной с рамой шарниром, обеспечивающим поворот вилки вокруг вертикальной (или близкой к вертикальной) оси;

- руля, жестко соединенного с вилкой;

- рамы, сваренной из металлических трубок, и имеющихся сзади вилок, концы которых соединены между собой;

- седла, жестко соединенного с верхним узлом рамы;

- педалей, соединенных цепной передачей с задним колесом;

- заднего колеса, на ось которого опираются концы вилок.

При вращении педалей вращающий момент посредством цепной передачи передается от оси педалей на заднее колесо, которое служит движителем и обеспечивает движение велосипеда. Руль обеспечивает управление движением на поворотах.

Если требуется более детальное описание движения велосипеда,

то аналогично описывают ТР некоторых элементов. Например, переднее колесо состоит из оси, опирающейся через два шарикоподшипника на втулку; металлического обода с резиновой пневмошинной; 36 спиц, соединяющих с предварительным натяжением втулку с ободом.

ТР представляет собой как бы безразмерное описание ТО и может иметь самые различные реализации по параметрам. К параметрам относят размеры ТО и его элементов, количественные характеристики входных и выходных потоков и другие измеряемые свойства. Например, асинхронный электродвигатель при одинаковом техническом решении имеет десятки модификаций по размерам, силе тока, напряжению, частоте, частоте вращения, мощности и т. д.

Проект. В отличие от технического решения, которое может иметь любую степень детализации, проект должен содержать указания значений параметров технического объекта и всех его элементов. Он содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации технического объекта. В зависимости от сложности технического объекта описание проекта может составлять от нескольких досотен томов.

В данном курсе под проектом будем подразумевать рабочие чертежи и конструкторскую документацию.

При разработке любого технического объекта, когда ставится цель получить изделие выше уровня лучших мировых образцов, конструктору предстоит решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. Эта последовательность в большой степени соответствует иерархии описаний технического объекта.

Задача 1. Составляется и уточняется описание потребности (P).

Потребность P включает три компоненты: действие D, объект G, ограничения H. При этом наряду с качественным описанием (D, G, H) указывают их основные количественные характеристики.

Задача 2. Реализация одной и той же потребности (P) осуществляется через техническую функцию технического объекта (техническая функция F = потребность P, физическая операция Q). При этом альтернативных физических операций может быть несколько. Проектировщику предстоит выбрать наиболее перспективную из них.

Задача 3. Исходя из описаний потребности и физических операций возможно построение нескольких альтернативных функциональных структур, из которых также предстоит выбрать наиболее рациональную.

Задача 4. В каждой функциональной структуре отдельные элементы выполняют определенные физические операции, которые основаны на различных физико-технических эффектах. В связи с этим может быть синтезировано большое количество возможных физических принципов действия, из которых также предстоит выбрать наиболее эффективный вариант.

Задача 5. Один и тот же ФПД может быть реализован несколькими (иногда сотнями и тысячами) техническими решениями, из которых предстоит выбрать лучшее решение.

Задача 6. При описании проекта производится выбор параметров

технического объекта и его элементов (из бесконечного множества

возможных вариантов).

В данном случае все эти типы задач можно отнести к творческим инженерным задачам, но в большей степени этому признаку соответствуют задачи 3, 4 и 5 типов.

Все перечисленные задачи поиска и выбора проектно-конструкторских решений характеризуются следующим: с повышением уровня задачи (от типа 6 до типа 1) ее успешное решение дает больший экономический эффект, вызывает более заметный технический прогресс в данной области и обеспечивает разработку изделий с большим сроком морального старения.

Так, например, решение задачи 6 обычно улучшает интересующие технико-экономические показатели изделий на 10-15 %, решение задачи 5 – на 20-30 %, задачи 4 – на 30-50 % (иногда в несколько раз).

Еще более важным оказывается обоснование новых физических операций (2) и потребностей (1).

В настоящее время (как и 100 лет назад), несмотря на научно-технический прогресс, будущим инженерам дают теоретические знания и навыки в основном только для решения задач типа 6.

Существуют многочисленные стандарты, инструкции и методические материалы по описанию проектов. В области патентоведения имеются инструкции и методики по описанию технических решений.

Но для описания потребности, технической функции, функциональной

структуры и физического принципа действия не существует инструктивной и методической литературы. Это затрудняет постановку и решение задач типов 1-4 и не реализуется при подготовке инженеров.

           Каждый технический объект находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. Для конкретного ТО в качестве окружающей среды могут выступать его надсистема, объекты неживой и живой природы и другие ТО, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии с рассматриваемым ТО и оказывают влияние на его проектно-конструкторское решение.

Взаимодействие ТО и окружающей среды может происходить по нескольким каналам связи, которые можно разделить на две группы.

    Первая группа включает потоки вещества, энергии и сигналов,

передаваемые от окружающей среды к техническому объекту. К ним

относятся:

- А_Т – функционально обусловленные входные воздействия

(входные потоки в физической операции (ФО) как компонент описания ФО);

- А_В – вынужденные входные воздействия (температура, влажность, пыль, деятельность насекомых и т. д.).

Вторая группа включает потоки, которые передаются от рассматриваемого ТО окружающей среде:

- С_Т – функционально обусловленные выходные воздействия

(выходные потоки в ФО как компонент описания ФО);

- С_В – вынужденные выходные воздействия (загрязнения воды,

земли, воздуха и т. д.).

В инженерных разработках список требований составляет ядро

технического задания. Список требований представляет собой необходимый и достаточный набор требований, при выполнении которых изделие будет иметь ожидаемую работоспособность, эффективность и ремонтопригодность. Если в таком наборе не будет учтено и выполнено хотя бы одно требование, то в созданном ТО проявится хотя бы один существенный недостаток или он будет неработоспособен.

В процессе разработки технического объекта задают несколько иерархически взаимосвязанных списков требований, которые соответствуют отдельным этапам разработки (типам задач). При этом каждый последующий список больше предыдущего и включает его в себя.

В общем случае иерархию списков ставят в соответствии с задачами выбора проектно-конструкторских решений, которые в свою очередь соответствуют иерархии описания технических объектов.

Список требований 1 (СТ1) включает перечень количественных показателей производимого действия D, количественных показателей объекта (предмета обработки) G, на который направлено действие разрабатываемого ТО, количественных показателей особых условий и ограничений H, при которых выполняется действие. К таковым относятся надежность, вид и показатели используемой энергии, особые воздействия окружающей среды и т. д.

СТ2 может включать дополнительно перечень потоков веществ,

энергии, сигналов на входе и выходе технического объекта или перечень требований и условий к выбору таких потоков; значения физических величин, характеризующих потоки; условия и ограничения на

потоки, вызванные взаимодействием ТО с надсистемой и окружающей средой; условия и ограничения на потоки, связанные с их преобразованием внутри ТО. Таким образом, уточненный список требований в основном зависит от выбранных потоков на входе ТО.

СТ3 включает дополнительно наборы требований, аналогичные СТ1, СТ2, но относящиеся к функциональным элементам, из которых состоит ТО. Уточненный СТ3 зависит от принятой функциональной структуры.

СТ4, в дополнение к СТ1-СТ3, составляют для каждого выбранного физического принципа действия ФПД отдельно. В СТ4 входят условия и ограничения, накладываемые на выбор основных материалов, используемых при реализации физико-технических эффектов, а также условия и ограничения, вызванные сопутствующими (дополнительными) воздействиями реализуемых эффектов как на элементы ТО, так и на окружающую среду.

СТ5 содержит дополнительно наборы требований и соответствующих количественных показателей по массе, форме, габаритным размерам и компоновке; выбору используемых материалов и комплектующих изделий; способам и средствам соединения и связи элементов между собой; управлению и регулированию; безопасности эксплуатации; патентоспособности; лимитной цене и т. д. СТ5 в большой мере зависит от технического решения ТР.

СТ6 включает набор требований по выбору оптимальных параметров ТО, запасам прочности, устойчивости, надежности, серийности изготавливаемого ТО, используемому технологическому оборудованию, взаимозаменяемости, стандартизации и унификации, условиям эксплуатации, транспортирования и хранения, сроку окупаемости на разработку, освоение и т. д.

Задание 2. Изучите сущность понятия «модель технического

Объекта».

Теоретическая сущность понятия «модель технического объекта»

Общим качеством, присущим всем системам техники, является то, что они имеют потребительную стоимость, то есть полезность для общества или отдельного индивидуума. Полезность оценивается через выполняемое системой действие, через результат.

Однако эта полезность не дается человеку в чистом виде. Само существование искусственно созданных объектов, то есть преобразованных тел природы, предполагает, что технические объекты имеют и стоимость. Для получения желаемого результата необходимо создать саму систему и с ее помощью преобразовать некие ресурсы, то есть технический объект реализует в себе единство затрат и выигрыша. Их отношение лежит в основе практически всех систем оценки эффективности.

Понятие «модель технического объекта» непосредственно связано с необходимостью рассмотрения категории идеального.

Идеал в общественных науках и искусстве определяется энциклопедическим словарем как «идея, понятие, высшее совершенство, высшая конечная цель деятельности, стремлений, помыслов, совершенный образ, предел каких-либо мечтаний».

Два различных понятия идеального сливаются вместе в ситуации, когда мы строим идеальную модель технической системы.

Она соответствует научной идеализации, так как формирует образ системы через описание только ее полезной функции, и этот же образ может быть представлен как высшая конечная цель деятельности по совершенствованию технической системы.

Идеальные объекты создают определенный образ будущей конструкции. Существование этого образа связано с наличием у разработчика творческого воображения, фантазии.

Обычно разработчики находятся в тисках реально возможного, постоянно учитывают существующие ограничения. При работе с идеальным объектом эти ограничения могут быть существенно ослаблены или сняты вообще.

Исходя из всего вышесказанного, модель технического объекта, процесса или системы – упрощенное их представление, сохраняющее с некоторой точностью те их свойства, характеристики и параметры, которые интересуют исследователя.

Модели строятся с целью изучения свойств и характеристик, прогнозирования поведения проектируемых и реальных систем, исследовать которые непосредственно нецелесообразно или невозможно по каким-то причинам.

Классификация моделей уже достаточно давно давалась и дается в литературе, что свидетельствует, например, о трудности, а может быть и об отсутствии необходимости создания универсальной классификации.

Способы классификации определяются и точкой зрения авторов на предмет идентификации, и их личными предпочтениями. Это позволяет и нам уточнять классификацию моделей, согласуя ее с областью их применения.

По способу реализации модели можно разделить:

1) на физические – воспринимаемые органами чувств человека:

- масштабные – уменьшенные или увеличенные копии (модель самолета или корабля);

- аналоговые – механические, гидравлические, электронные и т. д. модели (АВМ);

- виртуальные – отображаемые на мониторе в графической и цифровой формах, в том числе модели, созданные в специализированных программах (VisSim, MBTY, MVS и др.), некоторые электронные игры, например, автогонки;

- макеты (муляжи), в т. ч. детские игрушки и т. п.;

2) математические – воспринимаемые умом, интеллектом человека:

- аналитические – набор формул, например, система уравнений в переменных состояниях;

- алгоритмические – задаются в виде алгоритма, связывающего

выходные и внутренние сигналы модели со входными.

По степени соответствия модели реальному объекту:

1) на адекватные по точности – отображающие в области своей применимости с необходимой (заданной) точностью реальный объект;

2) физически состоятельные – истинные, по Н.В. Клиначеву,

 – опирающиеся на физические законы, характеризующие объект управления в области их применимости;

3) аппроксимации – ложные, по Н.В. Клиначеву, – построенные на основе приближенных или эмпирических формул, характеризующих объект.

По назначению (по способности работать в реальном времени):

1) на модели инвариантные к реальному времени (используются

для изучения свойств реальных объектов и систем);

2) модели реального времени (real-time или hardware-in-loop модели), являющиеся составной частью реальной системы (используются либо для управления ею, либо для отладки).

По степени точности решателя:

1) графические модели – 10...5 %;

2) аналоговые модели – 1...0,01 %;

3) компьютерные модели, рассчитываемые процессором с плавающей точкой (не проявляется эффект квантования параметров) – 0,00...01 % (в мантиссе до 20 десятичных разрядов);

4) компьютерные модели, рассчитываемые процессором с фиксированной точкой (проявляется эффект квантования параметров) –

10...0,01 %.

По типу графов:

1) на модели на основе направленных графов (модели программ

VisSim, Simulink, MBTY);

2) модели на основе ненаправленных графов (модели программы Electronics Workbench).

По виду направленного графа:

1) модели с последовательным графом (ПФ разложена на множители);

2) модели с параллельным графом (ПФ разложена на элементарные дроби);

3) модели на основе одного из двух универсальных графов, которые соответствуют стандартной форме записи передаточной функции;

4) модели с графами, специфика которых учитывает эффект

квантования параметров;

5) модели с матричными графами (ABCD-граф или граф для решения уравнений в форме Коши).

По степени сложности модели могут характеризоваться:

1) порядком ее системы уравнений;

2) степенью вложенности блоков, то есть количеством иерархических уровней;

3) количеством иерархически подчиненных субмоделей.

По реализуемости модель может быть:

1) реализуемой;

2) нереализуемой.

Это далеко не весь спектр классификаций моделей технического

объекта.

В дальнейшем работе будут рассмотренны в основном математические модели технических объектов, в частности диагностические модели, а также модель многоэлементного технического объекта. Это обусловлено необходимостью разработки методов и средств контроля текущего состояния технической системы и прогнозирования динамических моделей при диагностировании особенно важных при исследовании параметров вибрации.

В связи с этим основные свойства технического объекта как элемента системы характеризуются оператором L, который связывает входные и выходные сигналы U1 (t) и U2 (t), а также учитывает зависимость U2 (t) от возмущающего фактора, порожденного собственными внутренними процессами.

Качество функционирования зависит не только от конструктивных параметров, но и от возмущений, которые изменяются во времени и могут вызвать параметрический отказ системы.

В обобщенной модели существуют два вида характерных процессов: быстрые – вибрация и флуктуация эксплуатационных показателей, и медленные – изменения параметров.

Быстрые процессы определяют качество функционирования модели в рассматриваемый момент времени, а медленные – надежность

систем.