Типи задач теорії технічних систем

Всі задачі створення та удосконалювання систем можна поділити на два основні типи.

Задача синтезу – задані зовнішня та внутрішні функції системи, необхідно розробити її структуру.

Задача аналізу – відома структура системи, установити її функцію та функції складових елементів.

3. Система перетворень та її елементи

Коли ми намагаємось сформулювати відповідь на питання про практичне застосування ТТС, то рано чи пізно приходимо до необхідності визначення мети створення технічних процесів та об’єктів.

Людина, як і будь-яка жива істота, має життєво важливі потреби, такі як їжа, сон, житло тощо. Однак на відміну, наприклад, від тварин потреби і бажання людини постійно зростають, що пов’язано з розвитком цивілізації, прогресом техніки і зростанням добробуту. Звичайно, на це можна відповісти, що більшість сучасних людських потреб, особливо ті, що пов’язані із новою технікою, не є життєво необхідними. Однак подібні переконання на більшість людей не діють і вони продовжують розглядати свої бажання і мрії як природні потреби. Підвищені домагання викликають проблеми їх задоволення, що обумовлено недостатністю фізичних сил і можливостей органів почуттів людини. Тому вона шукає рішення, що дозволяють усунути ці проблеми.

Для задоволення своїх потреб людина знаходить у природі лише деякі повноцінні засоби. У більшості ж випадків вона змушена змінювати вказані засоби за рахунок організації процесів їх перетворень.

Взагалі говорячи, термін “процес” означає, що щось відбувається, триває, змінюється протягом часу. У природі постійно відбуваються ті чи інші процеси перетворень як повільні (вивітрювання, ерозія скель і гір), так і швидкоплинні (гроза, виверження вулканів). Деякі з природних перетворень можуть безпосередньо служити на користь людині, але, в основному, вона реалізує штучні процеси з метою досягнення бажаних для себе змін. Хоча людина і підкоряється законам природи, вона може прискорити, підсилити або поліпшити деякі природні процеси або їх параметри.

Штучні процеси, в яких за участю людей і (або) технічних систем, а також під впливом навколишнього середовища, об’єкт впливів змінює свій стан із заданого вхідного (Сн_вх) на заданий вихідний (Сн_вих), що характеризуються множиною певних параметрів, називають перетвореннями.

Множина людей SЛ = {Л₁, Л₂, ..., Л_n}, множина технічних систем SТС = {ТС₁, ТС₂, ..., ТС_m}, навколишнє середовище НС, а також об’єкт впливу О, що пов’язані між собою внутрішніми та зовнішніми (вхідними та вихідними) впливами – потоками матерії, енергії або інформації – називають елементами системи перетворень (СП).

Можна навести безліч прикладів процесів перетворень (ПП), які організовує людина, у машинобудуванні це: зварювання, механічне оброблення; на транспорті: фарбування кузова автомобіля, заміна масла. Для реалізації більшості складних ПП, особливо тих, що супроводжуються значними (у десятки і сотні разів) підвищеннями або пониженнями температури, тиску, вологості, робочих зусиль, електричної напруги, людина не може обійтись без організації штучних технічних процесів – нагріву заготовок, пластичного деформування, свердління отворів, а також без допомоги штучних технічних об’єктів – вимірювальних приладів, металорізальних верстатів, тракторів, водних суден, космічних апаратів.

Вся множина штучних технічних процесів та об’єктів об’єднується в комплексне поняття “технічні системи” (ТС).

Технічним процесом (ТП) називають спосіб, метод або послідовність перетворення матерії, енергії або інформації із заданого вхідного у заданий вихідний стан, які реалізуються людиною або технічним об’єктом при виконанні певної функції.

Під технічним об’єктом (ТО) розуміють деталь, вузол, агрегат, пристрій, машину, виробничу ділянку, підприємство, які створені людиною за допомогою інших технічних об’єктів і технічних процесів і призначені для виконання певної функції з перетворення матерії, енергії або інформації із заданого вхідного у заданий вихідний стан.

Таким чином, загальним призначенням систем типу “процес” і систем типу “об’єкт” є забезпечення штучних процесів перетворень для реалізації потреб людини.

Вплив навколишнього середовища (НС) визначається сукупним впливом природних (біологічних) об’єктів, а також зміною температури, тиску, вологості, наявністю або відсутністю газів й іншими факторами оточення.

Об’єктом впливу в процесі перетворення може бути матерія (технічна система, окремий елемент - деталь, матеріал, або їх сукупність), енергія або інформація.

ПП можна поділити на окремі технічні процеси, технічні підпроцеси (ТпП) та операції (Ор). Тоді сам процес перетворення являє собою однозначно визначену послідовність технічних процесів, підпроцесів та операцій, яка або установлюється один раз заздалегідь і дійсна упродовж всього перетворення, або змінюється в залежності від результату реалізації його складових частин (упорядкована множина технічних процесів, підпроцесів, операцій, а також внутрішніх та зовнішніх впливів між ними).

Одними з найбільш розповсюджених ПП в техніці є процеси керування і регулювання.

Керування – процес в системі перетворень, при реалізації якого на об’єкт впливу системи діють один або декілька зовнішніх вхідних впливів, в результаті чого параметри об’єкта змінюються згідно із заданим законом (формування заданого вихідного впливу).

Регулювання – це процес перетворення, при якому деякі змінні параметри (параметри регулювання) постійно зіставляються із заданими, і при наявності недопустимих відхилень на об’єкт впливу системи перетворень здійснюються зовнішні або внутрішні впливи з метою приведення вказаних відхилень у певні межі.

На рис. 3.1. наведена загальна модель СП, на якій вказані всі описані вище елементи системи та впливи між ними.

В рамках глобальної системи Всесвіту може бути виділена нескінченна множина СП. Окремий елемент часто входить в декілька СП. Наприклад, різець токарного верстата, який під час роботи одночасно зміщується в повздовжньому напрямку (змінює місцеположення), зрізає стружку із заготовки, зношується, передає коливання іншим елементам СП – перетворення матерії, а також нагрівається – перетворення енергії.

З врахуванням наведених вище положень визначимо загальні ознаки систем перетворень.

1. Системи перетворень призначені для реалізації тих чи інших потреб людини.

2. У загальному випадку вони включають такі елементи: об’єкт впливу (матерія, енергія, інформація), множини людей та технічних систем, а також навколишнє середовище, які пов’язані між собою матеріальними, енергетичними або інформаційними потоками.

3. В результаті перетворення об’єкт впливу переходить із заданого вхідного у заданий вихідний стан.

4. Процес перетворень може бути поділеним на технічні процеси, підпроцеси або операції, які утворюють упорядковану одно- або багатоваріантну послідовність.

В табл. 3.1. поданий приклад опису СП гартування стальної заготовки.

Таблиця 3.1.

Опис СП гартування стальної заготовки

Найменування ПП	Гартування
Об’єкт впливу (О)	Стальна заготовка
Перетворення стану О Снвх® Снвих	Зовнішня поверхня: м’яка ® тверда
Склад і послідовність ПП = {SТП, SТпП, SОр}	Завантаження у піч ® нагрівання ® переміщення від печі до ванни® охолодження у ванні®виїмка з ванни
Участь в ППмножин SЛ, SТСіНС: - робітник	Захват щипцями заготовки і переміщення її у піч, від печі до ванни і з ванни до контейнеру
- щипці	Захист робітника від впливу високої температури з боку печі та заготовки
- піч	Нагрівання заготовки до заданої температури
- масляна ванна	Охолодження заготовки
- температура, вологість, тиск у цеху, наявність у повітрі агресивних газів, сторонні шуми, вібрації	Поліпшення або погіршення виробничих умов для робітника, обладнання, заготовки, процесу гартування, збільшення або зниження його продуктивності

 

4. Технічні процеси

У попередньому розділі було вказано, що ТП разом з людьми, технічними об’єктами, навколишнім середовищем та об’єктом впливу є елементом СП. ТП займають центральне місце в СП, оскільки перетворення, взагалі, можуть бути здійснені не інакше, як за їх допомогою. Крім того, інші елементи СП можуть бути об’єднані лише на основі ТП.

В сучасному світі постійно здійснюється нескінченна множина ТП, у яких, так чи інакше, беруть участь люди. Кожна людина інколи є елементом декількох ТП одночасно, в результаті чого вона задовольняє свої потреби безпосередньо або створює умови для їх подальшої реалізації. Ключовим словом тут є потреба.

Який зв’язок потреби з ТП? Повторимо:

а) виникає стан незадоволеності або ситуація, яку людина хоче чи повинна змінити; б) даний стан змушує сформулювати потребу; в) усвідомлюється, що потреба, взагалі говорячи, може бути задоволена різними засобами; г) з’ясовується, що засоби, які могли б бути використані для цього безпосередньо, відсутні; д) потрібно змінити існуючий стан на бажаний шляхом перетворень; е) перетворення здійснюються в ТП.

 

4.1. Модель технічного процесу

Ми установили, що ТП є елементом СП (див. рис. 3.1). Модель ТП розробляється з врахуванням впливів на нього з боку інших елементів. Можливі декілька способів представлення ТП. На рис. 4.1. подана загальна модель, в якій враховані і зображені всі можливі елементи ТП і впливи між ними.

Послідовність розробки моделей ТП:

1) Визначається ПП, який необхідно реалізувати для задоволення тієї чи іншої потреби людини.

2) Вказується об’єкт впливу (О), його вхідний (Сн_вх) та вихідний (Сн_вих) стани, а також основні параметри, що їх характеризують.

3) Визначаються найбільш раціональні варіанти ТП, що дозволяють реалізувати задане перетворення.

4) Для кожного варіанта ТП вказуються складові SТпП та SОр, визначається вид їх структури - послідовний або паралельний (рис. 4.2), а також характер протікання - диференціальний (лінійний чи нелінійний) або дискретний.

5) Установлюються впливи між SТпП та SОр, а також характер впливів (матеріальний - М; енергетичний – Ен або інформаційний – І).

6) Вказується стан об’єкта впливу (Сн_n = {п_1n, п_2n, ... , п_m.n}) після виконання кожного ТпП або Ор.

7) В загальному ТП виділяються етапи підготовки, проведення та завершення (див. рис. 4.1).

8) Визначаються множини SЛ, SТС об’єктів та умов НС, які безпосередньо пов’язані впливами з елементами ТП.

9) Установлюється характер впливів SЛ, SТС та НС на SТпП та SОр. При цьому, необхідно визначити достатньо повний перелік елементів ТП і впливів між ними, оскільки в іншому випадку проміжні та вихідні параметри ТП можуть відрізнятись від заданих, а сам ТП залишитись нереалізованим. Наприклад, в ТП обробки на металорізальному верстаті стальної заготовки в якості вихідних матеріальних потоків необхідно вказати і деталь і стружку, а не тільки деталь. Для перевірки правильності і повноти виконання даного пункту доцільно розглянути баланси матеріальних, енергетичних та інформаційних потоків.

10) При необхідності проводиться повний опис із зазначенням елементів та впливів не тільки для основних SТпП та SОр, що відносяться до етапу проведення ТП, а і для допоміжних SТпП і SОр етапів підготовки та завершення. Доцільність такого опису обумовлена тим, що допоміжні SТпП і SОр у більшості випадків суттєво впливають на основні перетворення ТП.

11) Визначаються процеси керування і (або) регулювання ТП.

12) При необхідності згідно із наведеною вище послідовністю розробляються моделі окремих ТпП і Ор.

13) При розробці нових ТП і особливо у випадку повторної реалізації вже відомих, визначається час проведення кожної Ор, конкретні зовнішні впливи на об’єкт ТП, а також їх фактичні параметри.

14) Перетворення в ТП описуються в залежності від мети і стадії його розробки в більш або менш повному вигляді (окремий, узагальнений або сукупний опис).

15) Ретельно перевіряється можливість реалізації кожної Ор. В сумнівних випадках проводяться додаткові дослідження.

16) В залежності від галузі техніки, в якій реалізується ТП, а також призначення ТС, що є його елементами можливо врахування тільки одного або тільки двох типів перетворень (наприклад, матеріальних або матеріальних і енергетичних). Несуттєві і другорядні для даного ТП перетворення можна не враховувати.

17) Перевіряється раціональність розроблених варіантівТП. Для цього даються відповіді на такі запитання:

· Чи не можна виключити той чи інший (ті чи інші) ТпП або Ор?

· Чи не потрібно додати який-небудь (які-небудь) ТпП або Ор?

· Чи не краще замінити той чи інший (ті чи інші) ТпП або Ор іншим (іншими)?

· Чи не раціональнішим буде змінити послідовність реалізації ТпП або Ор?

· Чи недоцільно розділити або об’єднати ті чи інші ТпП або Ор?

· Чи можливо повторити кожен ТпП і Орокремо і весь ТП в цілому?

В табл. 4.1 наведений приклад опису ТП, розробленого згідно із наведеними рекомендаціями

 

4.2. Елементи технічного процесу