Закони розвитку технічних систем

 

Життя ТС можна уявити [див.рис.1.4] у вигляді S-подібної кривої, яка запозичена з біології, оскільки в цьому відношенні життя ТС можна порівняти з живим організмом.

Головні показники ТС

Рис.1.4 – Криві розвитку технічної системи [1].

Ця крива показує як в часі змінюються головні показники ТС. Розрізняють ділянки:

1)початкового розвитку ТС – ТС розвивається повільно;

2)розвитку ТС – ТС бурхливо розвивається;

3)стиглість ТС – ТС вибирає свої можливості;

4)старість ТС – можливості ТС не змінюються;

5)деградація ТС – можливості ТС зменшуються.

Приблизно на ділянці стиглості даної ТС А виникає нова ТС Б, що більш задовольняє вимогам.

Згідно з Г.С.Альтшуллером розвиток ТС описується такими законами: «статики» (початок життя), «кінематики» (розвиток), «динаміки» (головні тенденції розвитку в теперішній час).

Закони статики:

1)повнота частин – наявність і мінімальна працездатність основних частин ТС;

2)«енергетична провідність» – наскрізний прохід енергії всіма частинами ТС;

3)проходження «ритміки» частин – частоти коливань, періодичності роботи усіх частин.

Закони кінематики:

1)підвищення ступеню ідеальності – витрати на виготовлення і функціонування ТС прямують до нуля, хоч працездатність її не зменшується;

2)нерівномірність розвитку частин – чим складніша ТС, тим більш нерівномірним є її розвиток;

3)перехід в над систему – вичерпавши можливості розвитку, система включається в над систему, як одна з частин.

Закони динаміки:

1)перехід з мікрорівня на макрорівень;

2)підвищення ступеню вепольності – зростання кількості елементів і зв’язків між ними.

В зв’язку з необхідністю проектування систем розрізняють три характерні типи задач: аналізу, синтезу та вимірювання [див.рис.1.5].

В умовах задачі аналізу ТС задана структура ТС, а визначити необхідно функціонування системи.

В умовах задачі синтезу ТС заданий характер функціонування та інші вимоги до ТС, а визначити необхідно структуру, яка задовольняє поставленим вимогам.

 

В умовах задачі вимірювання ТС задані параметри та характер функціонування ТС, а визначити необхідно вхідні параметри.

Також можливою є і задача «чорного ящика», в умовах якої задана система, структура якої є невідомою або частково відомою, необхідно визначити її функціонування і, можливо, структуру.

 

Рис.1.5 – Типи задач при проектуванні ТС [1].

 

Контрольні запитання для самоаналізу та тестування:

1.Що є предметом курсу?

2.Що є метою курсу?

3.Що називають системою?

4.В чому полягає системний підхід?

5.Що називають функцією системи?

6.Що називають входом системи?

7.Що називають виходом системи?

8.Наведіть визначення технічної системи.

9.Що називають оточенням системи?

10.Що називають властивістю?

11.Які бувають види зв’язків з навколишнім середовищем?

12.Назвіть основну характеристику початкового розвитку ТС.

13.Назвіть основну характеристику розвитку ТС.

14.Назвіть основну характеристику стиглості ТС.

15.Назвіть основну характеристику старості ТС.

16.Назвіть основну характеристику деградації ТС.

17.Які Ви знаєте закони розвитку ТС?

18.В чому полягає задача вимірювання ТС?

19.В чому полягає задача синтезу ТС?

20.В чому полягає задача аналізу ТС?

 

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.