Модель функционирующей технической системы (полезной системы)
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
При анализе и проектировании эффективно рассматривать технические объекты в режиме функционирования, и строить модели технических систем, показывающие взаимодействие компонентов в момент выполнения требуемого действия. Назвать такую техническую систему можно «функционирующей». Если вернуться к аналогии с патентным правом, то такая модель отсылает нас к чему-то вроде «машины в работе».
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.
В модели полезной системы набор компонентов расширен. Кроме «ядра» системы Г. С. Альтшуллера (двигатель, трансмиссия, инструмент, орган управления) она система включает источник энергии, обрабатываемый объект. В результате работы системы получается полезный продукт.
- «Обрабатываемый объект» – это тот компонент, который обрабатывается инструментом и преобразуется в полезный продукт.
- «Инструмент» непосредственно воздействует на обрабатываемый объект.
- «Источник энергии» поставляет энергию для работы системы.
- «Двигатель» преобразует энергию в тот вид, который нужен для функционирования инструмента.
- «Трансмиссия» отвечает за передачу этой энергии от двигателя к инструменту.
- «Орган управления» обеспечивает скоординированную работу всех компонентов системы.
Взаимосвязь этих компонентов показана на рисунке.
Графическая модель функционирующей технической системы (полезной системы)
Важно отметить, что все перечисленные компоненты системы – это не обязательно отдельные технические узлы и детали. «Двигатель», «трансмиссия», «орган управления» – это роли компонентов системы, их функциональные «обязанности». Один и тот же компонент может иметь две или более ролей одновременно, каждая роль в этом случае выполняется какой-то частью компонента. И, наоборот, одна и та же роль может быть у нескольких компонентов. То есть, при построении системы следует учитывать, что устройство может быть представлено не только как совокупность компонентов, но как набор функциональных модулей.
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.
Пример. Карандаш как совокупность функциональных модулей
Обычный карандаш включает графитовый стержень (грифель), деревянный корпус и слой краски на его поверхности. Если мы хотим построить функционирующую техническую систему, то карандаш лучше представить как несколько функциональных модулей:
- 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.
Функциональные модули карандаша
Как мы видим, при работе карандаша его модули выполняют самые разные функции, но их компонентный состав практически одинаков: грифель, деревянный корпус, краска. Техническая система для получения следа на бумаге будет следующей:
Функционирующая техническая (полезная) система для получения следа на бумаге
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.
Пример. Распылитель краски как простейшая техническая система
В составе пневматического распылителя краски есть ёмкость со сжатым воздухом (ресивер), трубопроводы, сопло. Когда оператор нажимает кран, воздух выходит из ресивера, проходит по трубопроводам и с большой скоростью истекает из сопла. В струю воздуха подаётся краска. Воздух подхватывает краску, дробит её на микрокапельки, образуя так называемый факел распыла.
Пневматический распылитель краски
Полезный продукт – факел распылённой краски.
Минимальный состав данной системы следующий:
«Обрабатываемый объект» – краска.
«Инструмент» – поток воздуха в сопле.
«Источник энергии» – сжатый воздух в ресивере.
«Двигатель» – место выхода сжатого воздуха из ресивера, где его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию движущегося воздуха.
«Трансмиссия» – трубопроводы, которые передают движущийся воздух от ресивера к соплу.
«Орган управления» – кран пуска воздуха и оператор.
Распылитель краски, модель простейшей полезной системы
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.
Пример. Автомобиль как совокупность двух простейших систем
Автомобиль, перевозящий груз, можно представить как совокупность двух простейших полезных систем.
В одной из них «двигатель» (двигатель автомобиля) преобразует энергию топлива во вращение коленвала. Далее это вращение передаётся к осям (в данной системе это «инструмент»), которые воздействуют на колёса, заставляя их вращаться. Получается техническая система для вращения колёс. Однако одного вращения колёс для движения автомобиля недостаточно.
Чтобы автомобиль поехал, нужно ещё одно преобразование энергии — момент вращения колёс должен быть преобразован в силу, поступательно движущую автомобиль по дороге. «Двигатель» здесь – вращающиеся колёса, прижимаемые весом автомобиля к дороге. Энергия передаётся через раму автомобиля к «инструменту» – кузову. Кузов удерживает груз («обрабатываемый объект»). Вот эта система уже может перевезти груз.
Прежде, чем идти дальше, нужно сделать одну важную терминологическую оговорку. Выражения «система» и «техническая система» активно используются и в среде инженеров, и в ТРИЗ. При этом могут подразумеваться как мыслительные построения, так и вполне материальные объекты. Например, когда мы говорим об анализе и моделировании, то техническая система – это мыслительная проекция реального объекта. Если же речь идёт о развитии технических систем или об экспериментальной проверке решений, то системами здесь называются материальные устройства. Кроме того, термин «техническая система» может быть спутан с понятием «инженерная система», то есть система, включающая компоненты машин. Это в корне неправильно, поскольку изобретательская задача в ОТСМ-ТРИЗ может быть сформулирована для любой области деятельности. Это, конечно же, техника в её инженерном понимании, а так же задачи, относящиеся к менеджменту, рекламе, продажам и т.п. Исходя из этого, компонентами технической системы могут быть как части машин, так и коллективы работников, денежные и материальные потоки, элементы программного обеспечения и другие варианты компонентов. Здесь речь уже может идти о «социальных», «бизнес», «менеджерских» и других системах, где рассматриваются некие совокупности компонентов, выполняющих какую-то «технику» и дающие в результате некий продукт.
Вносить какие-то новые понятия, ломать устоявшийся профессиональный язык – нецелесообразно, поэтому дальше по тексту мы просто будем пользоваться понятиями «система», «полезная система» или «вредная система», полагая, что это система, организованная по шаблону, приведённому на этой странице. Надеемся, что читателю по контексту будет понятно, о какой системе – инженерной, социальной, бизнесовой или какой-то другой – идёт речь.
220053, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Урожайная, д.9, офис 6
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Функционирование — техническая система
Функционирование любой проектируемой технической системы подчиняется определенным физическим законам. Закон функционирования технической системы описывается аналитическими соотношениями между входными, внутренними и выходными переменными системы. Эти переменные связаны определенными соотношениями с переменными проектирования X, под которыми понимаются внутренние переменные, допускающие варьирование. В процессе параметрического синтеза варьирование переменных проектирования X ведет к изменению выходных параметров Y системы. [1]
Режим функционирования технической системы определяется характером внешних возмущающих и управляющих воздействий. Различают статические и динамические режимы. Динамическим называется режим, в котором состояние системы неустановившееся. Он обусловлен изменением во времени внешних воздействий, вызывающих возникновение переходных процессов системы, при которых изменяются ее фазовые координаты. [2]
Характеристики функционирования технической системы определяются ее внутренними физическими свойствами и внешними воздействиями. Внешние воздействия подразделяются на возмущающие и управляющие. Возмущающие воздействия на техническую систему оказывает внешняя среда, в которой функционирует данная система. Система управления предназначена для обеспечения заданных характеристик функционирования технического объекта посредством соответствующих управляющих воздействий. Эти воздействия формируются только тогда, когда характеристики объекта отклоняются от желаемых. [3]
Процессы функционирования нелинейных технических систем описываются нелинейными уравнениями. В системе уравнений (8.2) F ( V) представляет собой нелинейную вектор-функцию фазовых координат. [4]
При изучении функционирования технических систем , как и при изучении любых явлений, будь то физические, экономические или социальные, мы прибегаем к моделированию. [5]
При рассмотрении функционирования технических систем в качестве показателей надежности используются: для неремонтируемых систем — время безотказной работы, для ремонтируемых систем — характеристики потока отказов систем. [6]
При анализе процессов функционирования вероятностных технических систем возникает необходимость моделирования случайных величин и случайных процессов с заданными вероятностными характеристиками. Так как анализ функционирования технической системы на ЭВМ осуществляется численными методами на основе дискретных математических моделей, то внешние воздействия на систему необходимо представить в виде некоторой непрерывной последовательности случайных чисел. Рассмотрим способы формирования такой последовательности случайных чисел с заданными вероятностными характеристиками. Наибольшее применение при моделировании технических систем находит алгоритмический способ. [7]
Проблема аналогии в функционировании биологических и технических систем управления , возникшая в результате создания новой автоматической системы, вызвала большой интерес ученых США, имеющих различные специальности: физиков, математиков, инженеров по радиоэлектронике, физиологов, психиатров, специалистов по работе головного мозга, медиков и др. Группа ученых, непосредственно работавшая над этой проблемой, пришла к заключению, что у биологических и технических систем существует некоторое принципиальное единство в их функционировании. [8]
В этом случае эффективность функционирования технической системы почти полностью определяется законом физического процесса и слабо зависит от внешних условий. Проявление физического закона в таких системах слабо зависит и от структуры технической системы, поскольку предполагается, что ее конструкция адекватна природе процесса. Поэтому управление процессом сводится к управлению технической системой, тем более, что результат функционирования системы ( например, перевозка грузов самолетом) лежит вне самой системы. Система как до начала процесса, так и после его окончания остается той же самой. [9]
Для выполнения анализа процесса функционирования технической системы при случайных внешних воздействиях возникает необходимость моделирования этих воздействий. Реализации функций внешних воздействий на ЭВМ представляются в виде случайных последовательностей ( значений воздействий в дискретные моменты времени), отображающих дискретные случайные процессы с заданными вероятностными характеристиками. [10]
При математическом моделировании процессов функционирования технической системы для определения вероятностных характеристик используют реализации дискретных случайных процессов, получаемых в результате вычислительного эксперимента на ЭВМ. Дискретные случайные процессы характеризуют изменение во времени фазовых координат и выходных параметров технической системы в условиях случайных воздействий внешней среды. Значения фазовых координат получают в процессе интегрирования системы дифференциальных уравнений математической модели, а значения выходных параметров вычисляют на основе функциональных зависимостей между ними и фазовыми координатами. Задачей анализа процесса функционирования технической системы в этом случае является получение статистических оценок вероятностных характеристик фазовых координат и выходных параметров, характеризующих качество и эффективность системы, и оценка степени выполнения технических требований на эти параметры. [11]
Являясь неотъемлемой характеристикой условий функционирования технических систем , структурно-параметрическая неопределенность приводит к необходимости использования нестандартного подхода при применении известных методов идентификации для получения удачной математической модели. Ее построение превращается в сложный исследовательский процесс, включающий три этапа: выбор структуры, нахождение оценок параметров, оценку адекватности полученного описания. [12]
При выполнении статистического анализа процессов функционирования технической системы обычно определяют для каждого исследуемого случайного процесса оценки математического ожидания, дисперсии, корреляционной функции и спектральной плотности, а также оценки характеристик распределения вероятностей. Кроме того, определяют оценки взаимных вероятностных характеристик случайных процессов Xj ( t) и X2 ( t): взаимную корреляционную функцию и взаимную спектральную плотность. [13]
Общая постановка задач оценки качества функционирования технических систем в нестационарных условиях звучит так: имея динамические характеристики входных воздействий и динамические характеристики системы, определить динамические характеристики изменений ее выходных параметров. Для процессов очистки задача формулируется следующим образом: имей динамические характеристики изменения состава сточных вод и динамические характеристики ХТС очистки, определить степень стабильности состава выходящей воды. Задача синтеза оптимальной ХТС формулируется так: имея динамические характеристики изменения состава сточных вод и задавшись требуемой степенью стабильности качества очищенной воды, синтезировать ХТС, обеспечивающую это качество и его стабильность при минимальных затратах. [14]
Однако не только ВТ определяет эффективность функционирования технической системы обслуживания АСУ . [15]
Источник
