Что включает в себя структура технической системы

Техническая система

В каждой ТС существует функциональная часть — объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части — сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

Техническая система — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции. [2]

Техническая подсистема — это часть системы, имеющая все признаки объектов таксона «технические системы». Техническая подсистема может быть частью некоторой системы, которая сама может не относиться к классу ТС.

Устройство — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая модель предопределенного поведения и равновесные устойчивые состояния в штатных условиях эксплуатации.

В определении понятия «устройство» учитывается, что оно как составная часть ТС также должно иметь равновесные устойчивые состояния, определяющие свойства целевых состояний системы в целом.

Деталь — неразделимый на элементы материальный и функциональный объект технической системы или устройства.

В этом определении учитывается, в частности, «функциональное» свойство детали, которое заключается в её способности выполнять отведенную ей конструктором роль в ТС, то есть быть исправной.

Источник

Функциональная структура. Описание технических систем

Описание технических систем

Критерии развития технических объектов

Понятие технических объектов, технических систем и технологий

Творческая изобретательская деятельность человека чаще всего проявляется при разработке новых, более совершенных по конструкции и наиболее эффективных в эксплуатации технических объектов (ТО) и технологий их изготовления [12].

В официальной патентной литературе термины «технический объект» и «технология» получили, соответственно, наименования «устройство» и «способ».

Слово «объект» обозначает то, с чем взаимодействует человек (субъект) в своей познавательной или предметно-практической деятельности (компьютер, кофемолка, пила, автомобиль и.др.).

Слово «технический» означает, что речь идет не о каких-либо условных или абстрактных объектах, а именно «технических объектах».

Технические объекты применяются для:1) воздействия на предметы труда (металл, древесина, нефть и т.д.) при создании материальных ценностей; 2) получения, передачи и преобразования энергии;3) исследования законов развития природы и общества; 4) сбора, хранения, обработки и передачи информации; 5) управления технологическими процессами; 6) создания материалов с заранее заданными свойствами; 7) передвижения и связи; 8) бытового и культурного обслуживания; 9) обеспечения обороноспособности страны и т.д.

Технический объект – широкое понятие. Это космический корабль и утюг, компьютер и ботинок, телевизионная башня и садовая лопата. Существуют элементарные ТО, состоящие всего из одного материального (конструктивного) элемента. Например, литая чугунная гантель, столовая ложка, металлическая шайба.

Наряду с понятием «технический объект» широко используется термин «техническая система».

Техническая система (ТС) – это определенная совокупность упорядоченно связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций.

Любая техническая система состоит их ряда конструктивных элементов (звеньев, блоков, узлов, агрегатов), называемых подсистемами, число которых может быть равно N. В то же время у большинства технических систем существуют и надсистемы – технические объекты более высокого конструктивного уровня, в которые они включены как функциональные элементы. В надсистему могут входить от двух до М технических систем (рис. 2.1.).

Технические объекты (системы) выполняют определенные функции (операции) по преобразованию вещества (объектов живой и неживой природы), энергии или информационных сигналов. Под технологией понимается способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью соответствующих технических систем.

Любой ТО находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействие ТО с окружающей живой и неживой средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно разделить на две группы (рис. 2.2.).

Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, передаваемых от окружающей среды к ТО, вторая группа – потоки, передаваемые от ТО в окружающую среду.

А_т – функционально обусловленные (или управляющие) входные воздействия, входные потоки в реализуемые физические операции;

А_в – вынужденные (или возмущающие) входные воздействия: температура, влажность, пыль и т.д.;

С_т – функционально обусловленные (или регулируемые, контролируемые) выходные воздействия, выходные потоки реализованных в объекте физический операций;

С_в – вынужденные (возмущающие) выходные воздействия в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, атмосферы и т.д.

Критерии развития ТО являются важнейшими критериями (показателями) качества и поэтому используются при оценке качества ТО.

Особенно велика роль критериев развития при разработке новых изделий, когда конструкторы и изобретатели в своих исканиях стремятся превзойти уровень лучших мировых достижений, или когда предприятия хотят приобрести готовые изделия такого уровня. Для решения таких задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направление прогрессивного развития изделий и технологий.

Любой ТО имеет не один, а несколько критериев развития, поэтому при разработке ТО каждого нового поколения стремятся максимально улучшить одни критерии и при этом не ухудшить другие.

Всю совокупность критериев развития ТО обычно разделяют на четыре класса (рис. 3.3.):

· функциональные, характеризующие показатели реализации функции объекта;

· технологические, отражающие возможность и сложность изготовления ТО;

· экономические, определяющие экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО;

· антропологические, связанные с оценкой воздействия на человека отрицательных и положительных факторов со стороны созданного им ТО.

Единичный критерий не может полностью характеризовать ни эффективность разрабатываемого ТО, ни эффективность процесса его создания. Исходя из этого, приступая к созданию нового ТО, разработчики формируют набор критериев (показателей качества) и к техническому объекту и к процессу его создания. Процедуру отбора критериев и признания степени важности называют стратегией выбора.

Вместе с тем, набор критериев регламентируется ГОСТом. Показатели качества разделены на 10 групп:

3. экономического использования материалов и энергии;

4. эргономические и эстетические показатели;

5. показатели технологичности;

6. показатели стандартизации;

7. показатели унификации;

8. показатели безопасности;

9. патентно-правовые показатели;

10. экономические показатели.

Каждый технический объект (система) может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность.

Потребность (функция).

Под потребностью понимается желание человека получить определенный результат в процессе преобразования, транспортировки или хранении вещества, энергии, информации. Описания потребностей Р должны содержать в себе информацию:

D – о действии, которое приводит к удовлетворению интересующей потребности;

G – об объекте или предмете технологической обработки, на которое направлено действие D;

Н – о наличии условий или ограничений, при которых реализуется это действие.

Техническая функция. Описание технической функции состоит: F = (P, Q)

где Р – удовлетворяемая потребность; Q – физическая операция.

Физическая операция Q – это определенное действие по преобразованию (превращению) заданных входных потоков вещества, энергии, информации или каких-то иных факторов в выходные потоки вещества, энергии, информации (других факторов).

Описание физической операции Q состоит из трех компонентов: Q = (А_т, Е, С_т),

где А_т – входной поток вещества, энергии, информации или иного фактора;

Е – наименование операции по превращению А_т в С_т;

С_т – выходной поток вещества, энергии, информации или иного фактора.

Подавляющее большинство ТО состоят из ряда элементов (деталей, узлов, блоков, агрегатов) и могут быть естественным путем разделены на части (подсистемы, элементы). Каждый из таких элементов, рассматриваемый как самостоятельный ТО, выполняет вполне определенные функции и конкретные физические операции Q.

Между элементами ТО существуют две разновидности связей и два вида структурной организации технических объектов и систем. Различают: конструктивную функциональную структуру (КФС) и потоковую функциональную структуры (ПФС).

Конструктивную функциональную структуру (КФС) отображает функциональные взаимосвязи между отдельными элементами ТО и объектами окружающей среды. При ее графическом построении вначале (обычно прямоугольниками) изображают основные элементы ТО и объекты окружающей среды, а затем соединяют их между собой линиями (ребрами), которые соответствуют реализуемым этими элементами функциям.

Под потоковой функциональной структурой (ПФС) понимается совокупность взаимосвязей между элементами технического объекта и реализуемыми ими физическими операциями через потоки вещества, энергии, сигналов.

Словесное описание, равно как и графическое изображение, ПФС обычно производится в следующей последовательности:

— вначале описываются (или изображаются в виде прямоугольников) элементы ТО;

— указываются (вписываются внутрь прямоугольников) реализуемые этими элементами физические операции по преобразованию вещества, энергии, сигналов;

— описываются (изображаются в виде направленных линий, ребер) потоковые связи между входами и выходами отдельных элементов.

Понятия КФС и ПФС могут быть использованы только для конкретного (существующего, модернизируемого или впервые разрабатываемого) ТО.

Физический принцип действия (ФПД) – это совокупность физических объектов, взаимосвязанных потоками веществ, энергии, сигналов.

Описание ФПД дается (или сопровождается) в виде принципиальной схемы, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы ТО, указаны направления потоков (вещества, энергии, информации) и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты.

Под физико-техническими эффектами (ФТЭ) понимаются различные приложения физических законов, закономерностей или вытекающих из них следствий, которые могут быть использованы в технических устройствах.

Описание ФТЭ в общем виде состоит из трех компонентов: ФТЭ = (А, В, С),

где А и С входной и выходной поток вещества, энергии, сигналов;

В – физический объект, обеспечивающий преобразование потоков А в С

Техническое решение представляет собой конструктивное оформление ФПД. Техническое решение может быть описано с любой степенью детализации через характерные признаки ТО сначала в целом, а затем его элементов (блоков, узлов).

В описании ТР даются: 1) указания (перечень) основных элементов; 2) взаимное расположение элементов в пространстве; 3) способы и средства соединения и связи элементов между собой; 4) последовательность взаимодействия элементов во времени; 5) особенности конструктивного исполнения элементов (материал, геометрические формы и т.д.), принципиально важные соотношения параметров.

Источник

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.

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:

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.

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