Модель функционирующей технической системы реферат

Обновлено: 05.07.2024

Введение
Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание любого процесса, называется управлением. Механизм или система, которая обеспечивает заданный процесс, называется объектом управления. В управлении техническими системами, или теории автоматического управления, не рассматриваются конструкции систем. Работа системы заменена математической моделью.
Управление техническими системами, или теория автоматического управления, представляет область науки и техники, охватывающая принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека.
Актуальность данной работы обусловлена интересом к характерным особенностям развития современных управляемых технических систем.
Целью данной работы является рассмотрение и изучение оценки допустимого управления техническими системами в теории автоматического регулирования. Предметом исследования выступают технические системы, в которых существует в процессе управление.
Среди поставленных задач можно выделить следующие:
- определить понятие технических систем и сущность их управления;
- рассмотреть специфические функции, классификацию и принципиальные подходы при анализе систем управления;
- дать подробное описание теоретических положений систем управления;
- изучить механизмы расчета систем автоматического управления и их элементов;
- исследовать влияние и воздействие особенностей в управлении техническими системами.
ПОНЯТИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В истории человечества XX век характеризуется бурным комплексным развитием технических исследований и науки, которые оказывают решающее влияние на дальнейшую стратегию технического прогресса. Весь опыт развития техники, механики, математики и естественных наук прошедших веков благотворно отразился на прогрессе технологий. Однако только в последние десятилетия в полной мере была осознанно развита наука об управлении объектами и процессами различной природы.
Область применения теории управления в технике очень обширна, как и различны связанные или независимые разделы науки управления. Характерно, что на сегодняшний день все отрасли науки управления используют один и тот же методологический подход - системный анализ. Используя концепции системного анализа, можно обнаружить общее поведение биологической системы с ее средой или найти те же модели поведения социальных систем по сравнению с некоторой технологической системой или процессом. В то же время системный подход позволяет определить существенную разницу между простыми системами управления и структурными многоуровневыми системами. [6]
Особенностью современных технических систем является широкое использование микропроцессорных устройств в замкнутом контуре управления, что позволяет заменить физическую реализацию требуемого закона управления в устройствах управления требуемым программируемым алгоритмом управления, что дает такой технической системе универсальность и гибкость не достигаются с помощью традиционной физической реализации устройства управления.
Непосредственно технические системы - это искусственно созданные объекты, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей человека (машины, аппараты, устройства, конструкции, ручные инструменты, их элементы в виде блоков и прочее). [5]
Основные свойства и характеристики технических систем
Под технической системой понимают множество элементов изделий, образующих определенную целостность, единство.
Технические системы создаются для строго определенных целей использования, и свои функции они могут выполнять, только если:
- их действие обеспечено энергоресурсами, маслами и смазками для машин, материалами, предназначенными для переработки системой в конечный продукт и другие;
- внешняя среда способствует функционированию системы;
- предопределенное поведение систем сохраняется в течение всего их жизненного цикла.
Техническая система имеет жесткие свойства и действует в соответствии с чёткой и неизменной структурой, не допуская отклонений и ограничений и строго определенных вариантов в выборе решений. [4]
В отличие от биологических организмов, технические системы не могут существовать независимо, поскольку любое устройство как технологическая система потенциально готово оказать полезный эффект. Однако для того, чтобы техническая система начала функционировать в процессе взаимодействия с внешней средой, изменения ее состояния и создания полезного эффекта, необходимо внешнее управляющее действие.
В неавтоматических системах человек выступает в качестве субъекта управления как оператор или диспетчер, который может использовать различные методы управления действием, включая механический (гидравлический или пневматический привод), электрический (изменение величины, напряжения или частоты переменного тока, комбинации электрических импульсов), по телефону или с использованием другого устройства связи, если объект управления имеет непосредственных исполнителей. Для того, чтобы управлять объектом целесообразно, оператор с помощью приборов или через исполнителей по каналу обратной связи получает информацию о его состоянии, сравнивает ее с требуемым режимом работы, и в случае необходимости посылает на объект управления корректирующие или регулирующие сигналы. [2]
Сейчас во многих технических системах в качестве регулятора используются компьютеры (от англ. computer - ‘вычислитель’). Компьютер в качестве регулятора способен быстро обрабатывать информацию и четко реагировать на изменения в объекте управления; при этом в случае необходимости существует возможность корректировки выполняемой программы (перепрограммирования).
Виды описаний технических систем
Для того чтобы получить наиболее полное описание сложной технической системы, она должна быть составлена с разных позиций. Из множества аспектов описаний целесообразно выделить пять основных и наиболее потребляемых, а именно: структурный, функциональный, кибернетический, временный и технологический.
Другие аспекты, например, экономические, эстетические, эргономические и другие, могут использоваться для составления описаний, которые имеют специальное назначение. [5]
Конструкционное описание должно давать представление о строении (структуре) системы, ее форме (конфигурации), материалах, из которых изготовляются части системы, веществах, используемых как рабочие.
Структура сложной системы, что рассматривается при конструкционном описании, есть, как правило, иерархической по составу; при этом связи, используемые для описания структуры, характеризуют взаимное положение подсистем, а также их принадлежность к тому или другому уровню иерархии. Разбивка системы на уровне может производиться исходя из конструктивных или технологических рассуждений. Например, до одного уровня могут принадлежать все агрегаты двигателя, к другому - сборочные единицы, к третьему - детали.
Основным традиционным способом описания формы (конфигурации) технических систем является использование эскизов, чертежей, словесных описаний. Создание автоматизированных систем проектирования затребовало разработку специальных языков и методов цифрового описания форм разных геометрических поверхностей, взаимного положения элементов конструкций, пригодных для введения информации на компьютерах.
Конструкционное описание не дает представления о свойствах системы в процессе тех работ, для выполнения которых она должна использоваться

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Технические объекты создаются с целью производства полезного продукта, что достигается выполнением некоторой функции. Экскаватор копает котлован. Самолёт, поезд, корабль и автомобиль перевозят груз. Ручка наносит знаки на бумагу. Завод изготавливает самолёты и т.п.

Коротко можно сказать, что:

Функция технического объекта выражается в действии, направленном на изменение состояния материальных объектов.

Функцию можно представить, как взаимодействие трёх компонентов – обрабатываемого объекта, инструмента и действия, которое тот производит. Инструмент воздействует на обрабатываемый объект, преобразует его и производит продукт – результат выполнения функции.

Схема функции и пример функции

Примеры потенциально работоспособных технических систем: телефон, экскаватор, ручка, компьютер, завод по производству микросхем, палка для сбивания яблок, шуруп, спутниковая система навигации и т.п.
Примеры функционирующих технических систем: разговаривающий по телефону человек, закрытый замок, производящий микросхемы завод, летящий самолёт, работающий компьютер и т.п.

Цель функционирования системы – произвести полезный продукт. Для этого она создаётся, для этого поддерживается её работа. Поэтому такую систему можно назвать полезной системой.

Взаимосвязь этих компонентов показана на рисунке.

Графическая модель функционирующей технической системы (полезной системы)

Управляемость системы

Отдельно надо сказать об управляемости системы.

Органы управления воздействуют на все другие компоненты системы, согласуя её параметры с условиями работы. Можно выделить три уровня такого согласования.

Начальное согласование параметров системы с некоторыми усредненными условиями работы, проводимое на стадии проектирования и изготовления. Такое согласование может быть статичным – автомобиль устойчив и когда стоит, и когда едет. Пример динамичного согласования – велосипед, который устойчив только в движении.

Периодическое согласование, которое осуществляется время от времени при эксплуатации системы за счёт компенсирующих регулировок.

Окончательное согласование параметров системы с изменяющимися условиями работы, для чего необходимо предусмотреть возможность оперативного управления, то есть быстрого и сравнительно простого изменения параметров системы при изменении условий её функционирования.

Собственно пишущая часть - кончик грифеля, которая и оставляет след на бумаге.
Спейсер – часть карандаша от грифеля до руки, удерживающая кисть пишущего в правильном положении.
Часть для держания – место контакта руки и карандаша.
Запас – часть карандаша над рукой, которая не участвует непосредственно в работе, но укорачивается по мере износа грифеля.

Простейшая техническая система

Технические устройства могут быть разными – от завода, где тысячи рабочих из сотен тысяч частей собирают самолёт, до простейшего ручного инструмента, к примеру, молотка, которым забивают гвозди.

Для работы с задачей нам нужно сконцентрироваться только на проблемном месте, не изучая машину во всех подробностях. Нужно рассмотреть то действие, которое в этом месте происходит, и понять – участие каких компонентов обеспечивает выполнение этого действия. Эти компоненты составляют так называемую простейшую полезную систему.

В простейшей полезной системе происходит только одно преобразование энергии на пути от источника энергии до инструмента (преобразовываться может как вид энергии, так и параметры энергетического потока).

Простейшая полезная техническая система определяется через продукт – результат её действия. Зная, что продукт – это преобразованный обрабатываемый объект, мы находим первый компонент системы. Остальные компоненты определяются через анализ их функциональных ролей.

Построение модели простейшей полезной системы – важное действие при решении задач. При помощи этой модели мы уточняем состав и функционирование анализируемого технического средства, можем уточнить компоненты, участвующие в выполнении проблемных операций технологического процесса и их роли, найти совокупности компонентов, при работе которых получаются вредные продукты, и, наконец, модель системы помогает нам получить идею решения задачи. Важность понимания того, как строится модель системы для различных технических средств переоценить трудно, поэтому приведём еще пару примеров.

Пример. Модель полезной системы для фрезы по металлу
Фреза вращается электродвигателем через валы и редукторы и срезает слой металла с неподвижной заготовки.
Поток энергии выглядит следующим образом.

Электроэнергия поступает от сети, преобразуется в двигателе во вращение, далее она передаётся самой фрезе и приходит к режущим элементам, которые и обрабатывают деталь.
Поток энергии для работы фрезы
Собственно модель системы выглядит следующим образом:
Модель полезной системы для обработки неподвижной детали вращающейся фрезой

Пример. Модель полезной системы для токарного станка
В токарном станке уже вращается сама обрабатываемая заготовка. Резец закреплён неподвижно относительно корпуса станка (боковое перемещение резца для простоты учитывать не будем).

Сами технические средства весьма похожи, имеют одинаковый принцип действия – резание металла твёрдосплавными элементами. Но модель системы в этом случае построить труднее. Действительно, активную роль выполняет резец, но ведь он – неподвижен. Откуда же берётся энергия?
Энергия может поступить к резцу только от одного возможного источника – от вращающейся детали.
Поток энергии для работы резца
Что тогда есть двигатель в этой модели?
Энергия поступает от вращающейся детали и проходит через режущий элемент в тело резца. Поскольку резец и его держатель выполнены из прочного и жёсткого материала, энергия частично рассеивается и превращается в тепло, но большая её часть отражается и возвращается к острию режущего элемента. Образуется своеобразное энергетическое кольцо, которое и обеспечивает резание металла заготовки. Модель полезной системы выглядит следующим образом:
Модель системы для обработки вращающейся детали неподвижным резцом

Из простейших систем, как из кирпичиков, можно собирать полезные системы любой сложности.

Понятие и классификация технических систем как совокупностей взаимодействующих элементов, предназначенных для выполнения определенных полезных функций. Синтез технической системы: этапы, закономерности, структура процесса и характер связей, управление.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	лекция
Язык	русский
Дата добавления	16.12.2017
Размер файла	74,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Технические системы

Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей. К ним можно отнести следующие:

· системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,

· системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;

· элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;

· каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

Техническая система - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

По типу развития во времени системы можно подразделить на:

1. Развертывающиеся (с течением времени растёт количество элементов);

2. Свертывающиеся (с течением времени количество элементов уменьшается);

3. Деградирующие (с течением времени уменьшается эффективность).

Элемент, система - относительные понятия, любая система может стать элементом системы более высокого ранга, также и любой элемент можно представить как систему элементов более низкого ранга. Например, двигатель - элемент автомобиля и одновременно система, состоящая из своих элементов.

Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами не исчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента.

Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, как бы исчезает; в зависимости от величины этой части можно говорить о степени потери индивидуальности элемента включённого в систему.

Система обладает частью свойств элементов её составляющих, но ни один элемент бывшей системы не обладает свойством всей системы.

Синтез технической системы

Главный ориентир в процессе синтеза системы - осознание потребности в достижении цели. В технической системе цель задаётся человеком. Цель - воображаемый итог, результат осознания потребности в выполнении полезной функции. Человек выбирает цель, формулирует требуемую полезную функцию будущей системы и тем самым резко повышает вероятность нужных ему событий.

Важное место в процессе синтеза системы занимает этап подбора (построения) структуры системы. Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.

Структура зависит от вида и материального состава используемых в технической системе элементов, а также от общих законов мира, диктующих определённые способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре.

Для одной и той же системы можно подобрать несколько различных структур в зависимости от выбранного физического принципа воплощения функции. Выбор физического принципа должен основываться на минимизации массы, габаритов, энергоёмкости при сохранении эффективности. Требуемая полезная функция главенствует над структурой.

Главное требование к структуре - минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надёжность причинно-следственных цепочек.

Внешним проявлением структуры технической системы является форма, а структура - внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может преобладать одно из них и диктовать условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы.

Одновременно со структурой возникает её организация. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.

Организация возникает, когда между элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие ограничиваются, гасятся, маскируются.

Главное условие возникновения организации - связи между элементами и их свойствами должны превышать по мощности (силе) связи с несистемными элементами.

Связь - это отношение между элементами системы.

Связь - реальный физический канал для передачи энергии, вещества, информации. Информации нематериальной не бывает, это всегда энергия или вещество.

Связи в системе могут быть:

· функционально необходимые - для выполнения полезной функции,

· вспомогательные - увеличивающие надёжность,

· вредные, лишние, избыточные.

По типу соединения связи бывают: линейные, кольцевые, звездные, транзитные, разветвлённые и смешанные.

Одно из важных свойств организации - возможность управления, то есть возможность изменения или поддержания состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идёт по специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени. Управление по отклонению величины является наиболее распространённым и достоверным способом.

Факторы, разрушающие организацию

К таким факторам относятся три группы вредных воздействий:

· внешние (надсистема, природа, человек),

· внутренние (форсирование или случайное взаимоусиление вредных свойств),

· энтропийные (саморазрушение элементов из-за конечности срока жизни).

Внешние факторы разрушают связи, если их мощность превышает мощность внутрисистемных связей.

Внутренние факторы изначально есть в системе, но с течением времени из-за нарушений в структуре их количество увеличивается.

Примеры энтропийных факторов: износ частей (вынос из системы части вещества), перерождение связей (усталость пружин, ржавчина).

Характерные типы структур технических систем

1). Корпускулярная.

Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.

Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.

3). Цепная. Состоит из однотипных шарнирно связанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.

Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.

5). Многосвязная.

Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.

6). Иерархическая.

Типичный вид иерархической системы:

технический синтез управление

Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции. Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).

Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности.

В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

Основные свойства иерархических систем

1) Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами.

3). Нечувствительность верхних уровней к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних.

Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС - надсистем высших рангов.

Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась полезная функция, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично.

Жизненный цикл технической системы - последовательность этапов существования объектов искусственного происхождения от начала их создания до момента исчезновения.

На каждом этапе объект имеет относительно стабильный набор характеристик. Разные классы технических систем могут иметь несколько различающийся набор этапов жизненного цикла.

Наиболее типичный состав этапов жизненного цикла:

1. определение функций и потребительских качеств тех. системы, что соответствует составлению технического задания;

2. выбор функциональной структуры, принципа действия и технического решения, что соответствует разработке тех. предложения или (и) тех. проекта;

3. рабочее проектирование, связанное с расчётом и оптимизацией параметров технической системы, выбором и разработкой технологии изготовления, составлением проектной документации;

4. изготовление, контроль и испытание технической системы;

5. транспортировка и хранение тех. системы;

6. эксплуатация, диагностика неисправностей и ремонт тех. системы;

7. утилизация тех. системы по причине её физ. или морального старения.

Безопасность технических систем

Опасность - возможность реализации нежелательного события. Аксиома о потенциальной опасности предопределяет, что все действия человека и все компоненты среды обитания, прежде всего, технические средства и технологии, кроме позитивных свойств и результатов обладают способностью генерировать опасные и вредные факторы. При этом любое новое позитивное действие или результат неизбежно сопровождается возникновением новой потенциальной опасности или группы опасностей.

Подобные документы

Классификация внешних воздействующих факторов, их разновидности и характер воздействия на технические системы техносферы. Старение материалов, этапы и направления данного процесса, критерии оценки. Факторы нагрузки, механическая и химическая энергия.

презентация [208,7 K], добавлен 03.01.2014

Закономерности распределения отказов технических устройств, причины и модели их возникновения. Связь надежности со всеми этапами "жизненного цикла" технической системы; основные показатели; расчет и построение структурной схемы надёжности системы.

курсовая работа [538,5 K], добавлен 05.03.2013

Основные определения процесса проектирования, его системы, стадии и этапы. Системы автоматизации подготовки производства, управления производством, технической подготовки производства, оценка их практической эффективности. Структура и разновидности САПР.

курсовая работа [109,4 K], добавлен 21.12.2010

Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.

курсовая работа [129,7 K], добавлен 01.12.2014

Анализ и синтез автоматизированной электромеханической системы. Элементы структурной схемы. Определение передаточных функций системы. Проверка устойчивости исследуемой системы методом Гурвица и ЛАЧХ-ЛФЧХ, оценка ее быстродействия и синтез, расчет.

курсовая работа [1,1 M], добавлен 18.05.2011

Синтез системы автоматического управления как основной этап проектирования электропривода постоянного тока. Представление физических элементов системы в виде динамических звеньев. Проектирование полной принципиальной схемы управляющего устройства.

курсовая работа [3,2 M], добавлен 16.07.2011

Анализ изменения вероятности безотказной работы системы от времени наработки. Понятие процентной наработки технической системы, особенности обеспечения ее увеличения за счет повышения надежности элементов и структурного резервирования элементов системы.

Содержание работы

Введение 2
1. Общее определение ТС 3
2. Функциональность 5
3. Структура 8
4. Организация 19
5. Системный эффект (качество) 24

Файлы: 1 файл

Функции и основные части технической системы.doc

Московский государственный открытый университет

Чебоксарский политехнический институт (филиал)

Курсовая работа по дисциплине

Тема: Функции и основные части технической системы.

Выполнил студент 4 курса

Факультета информатики и радиоэлектроники

Очной формы обучения

Садырга Роман Александрович

Учебный шифр шифр 608103

Проверила Денисова О.М.

Чебоксары 2012 г.

Введение

Смысл системного подхода при исследовании процессов развития в технике заключается в рассмотрении любого технического объекта как системы взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Линия развития представляет собой совокупность нескольких узловых точек - технических систем, резко отличающихся друг от друга (если их сравнивать только между собой); между узловыми точками лежит множество промежуточных технических решений - технических систем с небольшими изменениями по сравнению с предшествующим шагом развития. Системы как бы "перетекают" одна в другую, медленно эволюционируя, отодвигаясь все дальше от исходной системы, преображаясь иногда до неузнаваемости. Мелкие изменения накапливаются и становятся причиной крупных качественных преобразований. Чтобы познать эти закономерности, необходимо определить, что такое техническая система, из каких элементов она состоит, как возникают и функционируют связи между частями, каковы последствия от действия внешних и внутренних факторов, и т.д. Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей, что позволяет считать их единой группой объектов.

1. Общее определение ТС

Каковы основные признаки технических систем? К ним можно отнести следующие:

системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,
системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;
элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;
каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

Поясним это простым примером. Допустим, необходимо составить фоторобот преступника. Перед свидетелем поставлена четкая цель: составить систему (фотопортрет) из отдельных частей (элементов), система предназначается для выполнения весьма полезной функции. Естественно, что части будущей системы не соединяются как попало, они должны дополнять друг друга. Поэтому идет длительный процесс подбора элементов таким образом, чтобы каждый элемент, входящий в систему, дополнял предыдущий, а вместе они увеличивали бы полезную функцию системы, то есть усиливали бы похожесть портрета на оригинал. И вдруг, в какой-то момент, происходит чудо - качественный скачок! - совпадение фоторобота с обликом преступника. Здесь элементы организованы в пространстве строго определенным образом (невозможно переставить их), взаимосвязаны, вместе дают новое качество. Даже если свидетель абсолютно точно идентифицирует по отдельности глаза, нос и т.д. с фотомоделями, то эта сумма "кусочков лица" (каждый из которых правильный!) ничего не дает - это будет простая сумма свойств элементов. Только функционально точно соединенные элементы дают главное качество системы (и оправдывают ее существование). Точно так же набор букв (например, А, Л, К, Е), соединившись только определенным образом дает новое качество (например, ЕЛКА).

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Таким образом, техническая система имеет 4 главных (фундаментальных) признака:

функциональность,
целостность (структура),
организация,
системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой. Поясним эти признаки подробнее.

2. Функциональность

2.1. Цель - функция.

В основе любого трудового процесса, в том числе изобретательского, лежит понятие цели. Бесцельного изобретения не существует. В технических системах цель задается человеком и они предназначены для выполнения полезной функции. Уже инженер древнего Рима Витрувий утверждал: "Машина есть деревянное приспособление, которое оказывает большую помощь при поднятии тяжести". Цель - воображаемый итог, к которому стремятся, удовлетворяя потребность. Таким образом, синтез ТС - это целенаправленный процесс. Любое сегодняшнее состояние может иметь в будущем множество последствий, абсолютное большинство которых лежат в русле энтропийных процессов. Человек выбирает цель и тем самым резко повышает вероятность нужных ему событий. Целенаправленность - эволюционно приобретенный (или заданный. ) навык борьбы с энтропийными процессами.

2.2. Потребность - функция.

Появление цели - это результат осознания потребности. Человек отличается от других живых существ тем, что ему свойственны повышенные притязания - намного выше возможности естественных органов. Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а функция - реализация потребности в ТС.

Потребность может быть удовлетворена несколькими функциями; например, потребность в обмене продуктами труда - натуральный обмен, по эквивалентам, денежная система. Так же и выбранная функция может быть воплощена в нескольких реальных объектах; например, деньги - медь, золото, бумага, зубы акулы и т.д. И, наконец, любой реальный объект может быть получен (синтезирован) несколькими путями или его работа может быть основана на разных физических принципах; например, бумагу для денег можно получить различными способами, рисунок нанести краской, в виде голограммы и т.д. Таким образом, технические системы, в принципе, имеют множественные пути развития. Человек все же каким-то образом выбирает одну дорогу воплощения потребности. Критерий здесь единственный - минимум МГЭ (массы, габаритов, энергоемкости); иначе нельзя - человечество всегда было ограничено в наличных ресурсах. Хотя, дорога эта зачастую извилиста, имеет множество тупиковых ответвлений и даже петель.

2.3. Носитель функции.

Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция - это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. РО - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательны. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции. к рабочему органу "пристраивались" другие части, подсистемы, вспомогательные системы. Этот процесс можно изобразить так:

Представим себе (пока умозрительно), что возможен и обратный ход - как продолжение данного.

Первая половинка процесса - развертывание техники, вторая - свертывание. То есть человеку, в общем то, нужна функция, а не ее носитель.

Для облегчения перехода от функции к ее носителю - рабочему органу будущей ТС - необходима точность в описании функции. Чем конкретнее описана функция, чем больше дополнительных условий, тем уже диапазон средств для ее реализации, тем определеннее ТС и ее структура. Мощным ограничителем вариантности служат выявленные закономерности развития рабочих органов в составе ТС.

2.4. Определение функции.

Функционирование это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени. Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину. Для определения функции необходимо ответить на вопрос: что делает эта ТС? (для существующих ТС), или: что должна делать ТС? (для синтезируемых ТС).

2.5. Иерархия функций.

Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные - вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неохватность всех свойств и связей).

Пример: иерархия функций кирпича.
ГПФ-1 отдельного кирпича: держать свою форму, не разваливаться, иметь определенный вес, структуру, твердость. Требование со стороны соседних систем (других кирпичей и раствора в будущей стене): иметь прямоугольные грани, схватываться с раствором.
ГПФ-2 стены: нести себя, быть вертикальной, не деформироваться при изменении температуры, влажности, нагрузки, ограждать что-то, нести нагрузку от чего-то. Кирпич должен соответствовать части требований ГПФ 2.
ГПФ-3 дома: должен создавать определенные условия для внутренней среды, защиту от атмосферных воздействий, иметь определенный внешний вид. Кирпич должен выполнять часть и этих требований.
ГПФ-4 города: определенный архитектурный облик, климатические и национальные особенности и т.д.

Кроме того, требование и к самому кирпичу постоянно увеличивается: он не должен впитывать грунтовую влагу, должен иметь хорошие теплоизоляционные свойства, звукопоглощающие свойства, быть радиопрозрачным и т.п.

Так вот, ГПФ данной системы - это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной системой. Например, свойство прочности кирпича может быть достигнуто различными добавками в исходную массу, а свойство эстетичности приклеиванием декоративной плитки на готовую стенку; для ГПФ кирпича (выполнять "требования" стены) это безразлично.

То есть, ГПФ элемента определяется системой, в которую он включается. Тот же кирпич может быть включен во множество других систем, где его ГПФ будет совершенно непохожей (а то и противоположной) приведенной выше.

Пример. Определить ГПФ калорифера.

Для чего калорифер? - нагревать воздух в доме.
Для чего надо нагревать воздух? - чтобы его температура не упала ниже допустимой величины.
Почему нежелательно падение температуры? - чтобы обеспечить комфортные условия для человека.
Для чего нужны комфортные условия человеку? - чтобы уменьшить риск заболеть, и т.д.

Это путь вверх по иерархии целей - в надсистему. Называемая на каждом этаже функция (цель) может быть выполнена и другой ТС. Калорифер входит в систему: "дом-воздух-человек-калорифер" и выполняет ее "требования".

Можно спуститься вниз по иерархии:

что нагревает воздух? - тепловое поле;
что производит тепловое поле? - нагревательная спираль;
что действует на спираль для получения тепла? - электрический ток;
что подводит электрический ток к спирали? - провода, и т. д.

Итак," требование" НС для калорифера - нагревать воздух. А что делает калорифер (его рабочий орган - спираль)? - производит тепло, тепловое поле. Вот это и есть ГПФ калорифера - производство тепла, как "ответ" на "требование" надсистемы. Здесь тепловое поле - изделие "выпускаемое" технической системой "калорифер". ГПФ надсистемы - обеспечение комфортных условий для человека.

3. Структура

3.1. Определение структуры.

Совокупность (целостность) элементов и свойств неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели.

Если определение функции (цели) системы в какой-то мере зависит от человека, то структура - наиболее объективный признак системы, она зависит только от вида и материального состава используемых в ТС элементов, а также от общих законов мира, диктующих определенные способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре. В этом смысле структура это способ взаимного соединения элементов в системе. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления однозначно задают структуру.

Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.

Структура остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий.

Презентация на тему: " Техническая система и ее функции. Вопросы лекции 1.Понятие технической системы и ее функций. 2.Системный подход. 3.Организация информации в линии развития." — Транскрипт:

1 Техническая система и ее функции

2 Вопросы лекции 1.Понятие технической системы и ее функций. 2.Системный подход. 3.Организация информации в линии развития. Пример анализа реальной системы. 4.Модель функционирующей системы. 5.Функционирующая система в контексте патентного законодательства. 6.Основные элементы функционирующей системы. 7.Действия при пошаговом развитии системы. 8.Трехэтапный алгоритм преобразования системы по Г. С. Альтшуллеру.

3 1. Понятие технической системы и ее функций

4 Техника (технический объект) это совокупность объектов природного и искусственного происхождения, повышающих эффективность деятельности человека сверх возможностей, присущих ему биологически.

5 Техническая система это совокупность взаимосвязанных материальных частей (элементов), предназначенная для повышения эффективности деятельности человека (общества) и обладающая хотя бы одним свойством, которым не обладает ни одна из составляющих его частей.

6 Главная функция это функция, ради выполнения которой создается техническая система (ТС). Что делает система? Как система это делает? ГФ = Предназначение + Техническая функция

7 Дополнительная функция – это функция, выполнение которой придает новое потребительское качество объекту. Латентная функция – это скрытая функция, выполнение которой не присуще ТС по предназначению. Основная функция – это функция отдельных частей ТС, непосредственно помогающая осуществлять главную функцию. Вспомогательная функция – это функция отдельных частей ТС, предназначенная для обслуживания других подсистем ТС.

8 Рассмотреть функции Стиральной машины. Молотка. Автомобиля.

9 2. Системный подход

10 Системный подход предполагает выявление совокупности подсистем и надсистем рассматриваемой ТС и учет их взаимодействия в разных условиях и на разных этапах существования ТС. Системный подход = полнота, всесторонность

11 Подсистема это часть ТС, имеющая значение для решения задачи. Элемент – это подсистема ТС, условно считающаяся неделимой в рамках конкретной задачи. Структурная схема – это схема, показывающая связь между подсистемами ТС.

12 Надсистема это система, в которую рассматриваемая ТС входит как часть.

13 3. Организация информации в линии развития. Пример анализа реальной системы

14 Одно из главных требований к оптимальной информационной структуре – требование объективности! Идея Г. С. Альтшуллера состоит в том, чтобы в дополнение к законам развития ТС строить объективные линии развития ТС. Линии развития применяются как инструмент, позволяющий рассмотреть полученное техническое решение в динамике.

17 4. Модель функционирующей системы

18 Цель создания ТС это обеспечение воздействия на обрабатываемый объект для получения некоторого продукта. Такое воздействие называют функцией системы. Для анализа системы нужно построить ее корректную модель. Модель технической системы по Альтшуллеру

19 Г. С. Альтшуллер о ТС: Технических объектов много, и они очень разнородны. Но есть нечто общее, присущее всем техническим объектам: все они являются системами. При системном подходе технические объекты рассматриваются как целостные организмы, подчиняющиеся общим законам развития. Карманный фонарик, двигатель, тепловоз, химический завод, речной транспорт – все это примеры ТС. Внешне они нисколько не похожи друг на друга. Их объединяет то, что они системы, т.е. нечто большее, чем арифметическая сумма составных частей.

20 Функционирующая ТС это система, объединяющая все элементы, которые необходимы при выполнении требуемой функции, рассматриваемая и анализируемая в процессе ее работы. ТС Функционирующая ТС Статика Динамика

21 5. Функционирующая система в контексте патентного законодательства

22 Важно, чтобы концепция функционирующей системы была согласована с моделями, используемыми в патентном законодательстве. Состав функционирующей системы хорошо согласуется с перечнем предметов патентирования, предусмотренных в патентном законодательстве.

23 Объекты изобретения это устройство, способ, вещество, штамм микроорганизма, культуры клеток растений и животных, а также применение известного устройства, способа, вещества, штамма по новому назначению (п.2 ст.4 Патентного закона РФ).

24 Устройство – это система расположенных в пространстве элементов, определенным образом взаимодействующих между собой. Устройство относится к информационному и объектному уровням ФС. Способ – это описание процессов взаимодействия частей ТС. Вещество – это ресурсы, необходимые для работы объектного уровня ФС, а также продукты переработки.

25 6. Основные элементы функционирующей системы

26 Элементы ФС Совокупности материальных объектов Описание процесса их взаимодействия Вещества, поля и системы, необходимые для работы объектной части системы и оператора Вещества, поля и системы как продукты переработки Алгоритмы и программы для автоматических систем управления Учебные курсы и программы

27 Наиболее адекватными и эффективными будут те линии развития, которые описывают преобразования основных элементов модели функционирующей системы.

28 7. Действия при пошаговом развитии системы

29 В ТС каждый переход от одного ее варианта к другому осуществляется только за счет внешнего вмешательства субъекта (человека). Основной постулат философии техники – все ТС развиваются в соответствии с объективными законами. Законы развития ТС отражают существенные, устойчивые и повторяющиеся взаимодействия между элементами ТС, между самими ТС и окружающей средой.

30 Законы развития ТС 1.Закон полноты частей системы. 2.Закон энергетической проводимости системы. 3.Закон согласования ритмики частей системы 4.Закон увеличения идеальности ТС 5.Закон неравномерности развития частей системы. 6.Закон перехода в надсистему. 7.Закон перехода на микроуровень. 8.Закон увеличения степени вепольности. 9.Закон повышения динамичности, управляемости и вытеснения человека.

31 Для получения новой ФС необходимо провести с существующей ФС какие-либо действия (преобразования). КАКИЕ? Списки преобразований: 1.Приемы разрешения технических противоречий. 2.Стандарты на решения задач. 3.Эвристические приемы преобразования

32 8. Трехэтапный алгоритм преобразования системы по Г. С. Альтшуллеру

34 Согласование (координация) это приведение в соответствие нескольких различных процессов, например, согласование подачи искры зажигания с движением поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

35 Уровни согласования Начальное согласование – на стадии проектирования и изготовления. Периодическое согласование – осуществляется время от времени при эксплуатации системы. Окончательное согласование – при оперативном управлении ТС.

36 Порядок действий при создании нового варианта ТС 1.Ввести элементы и связи в состав системы. 2.Удалить элементы и связи из состава системы. 3.Заменить одни элементы и связи объектов на другие. 4.Разделить элементы системы на части. 5.Изменить форму и размеры элементов системы.

37 Порядок действий при создании нового варианта ТС 6.Изменить внутреннюю структуру элементов системы. 7.Изменить состояние поверхности элементов системы. 8.Обеспечить подвижность связей между элементами системы и возможность изменения других ее параметров. 9.Обеспечить и упростить оперативное управление. 10.Проверить и улучшить согласование работы элементов системы.

Читайте также: