1.Функциональность тс
Потребность в функции. В основе синтеза любой ТС лежит понятие цели. Бесцельных конструкторских или изобретательских разработок не существует. Любая ТС является носителем какой-либо главной полезной функции (ГПФ). Цель создания ТС диктуется человеческой потребностью в облегчении своего труда. Для определения ГПФ ТС необходимо ответить на вопрос - что должна делать данная ТС? Как и в чём она облегчит труд человека? Только при наличии осознанной потребности должен производиться целенаправленный синтез ТС. Целью разработки ТС является воображаемый итог, к которому стремится конструктор или изобретатель, удовлетворяя возникшую потребность общества.
Таким образом, ГПФ — это способность системы проявлять свое полезное свойство, преобразовывать предмет труда в требуемую форму при непосредственном управлении человеком.
Носитель функции. Реальным носителем функции в «чистом виде» является рабочий орган (РО). Для его функционирования к нему подстраиваются другие элементы образующие ТС (двигатель, трансмиссия, источник энергии, орган управления).
Весь процесс от возникновения потребности в ТС до ее материализации можно представить цепочкой действий:
Иерархия функций. Каждая ТС кроме ГПФ, ради которой она существует, выполняет несколько дополнительных функций. Среди дополнительных могут быть выделены вспомогательные функции (ВФ) облегчающие выполнение системой ГПФ и сопутствующие функции (СФ), которые ТС может выполнять кроме основной. Так, например, пылесос кроме своей основной функции - отсасывать пыль, может выполнять сопутствующие функции - распылять краску, накачивать воздух, мыть поверхность ковра и т.п. Вспомогательные функции выполняет корпус пылесоса, к которому крепятся двигатель, мусоросборник, шланги, колеса для перемещения и т.п. Чем сложнее иерархическая структура системы, чем выше ее индивидуальные свойства, тем четче выступают они в надсистеме и тем больше вспомогательных функций должна выполнять ТС. (Пример: моющий пылесос) Функциональность любой ТС можно представить в виде
суммы: Функциональность ТС = ГПФ + ВФ + СФ
2. Структура тс
Если ГПФ ТС зависит от потребностей человека, то структура является объективным признаком системы, материальным
наполнением её, реализующим на практике удовлетворение потребности человека. Структура системы состоит из элементов и связей между ними, задаваемых принципом действия.
Структура ТС - это неизменная в период функционирования совокупность элементов и связей между ними, которые
определяются физическим принципом действия, выбранным для
осуществления ГПФ |
Элемент структуры. Понятие элемента структуры имеет относительный характер. Относительность заключается в том, что любой элемент структуры сам может быть целой системой. Так, например, один из элементов автомобиля - двигатель, сам является сложной технической системой, состоящей из цилиндров, поршней, клапанов и т.д. Продолжать детализировать можно до молекулярного и атомного уровней. В этом случае придется говорить уже о термодинамической системе (смеси газов), состоящей из молекул и атомов, на которые разлагается топливо в процессе сгорания его в цилиндре двигателя.
Необходимо понимать, что в природе не существует обособленных систем. Любая из них является частью другой системы, которую называют надсистемой. В то же время самая малая система состоит из ряда более мелких систем, называемых подсистемами. Этот ряд можно продолжать до бесконечности, охватывая необозримые пространства макро - и микромира.
В этом бесконечном ряду элемент структуры представляет собой относительно целую часть системы, обладающую свойствами не исчезающими при отделении от системы. Однако свойства элементов в системе (например, газы, получаемые при сгорании топлива в цилиндре двигателя) не равнозначны их свойствам вне системы (эти же газы в атмосфере Земли). Совершенно очевидным является факт того, что ни один элемент ТС не обладает свойством всей системы (двигатель внутреннего сгорания не обладает способностью самостоятельно двигаться). Таким образом
Элемент структуры - это относительно минимальная
единица структуры (по массе, пространственным и временным
параметрам), способная к выполнению элементарной функции и
остающаяся неизменной во время функционирования.
По мере развития ТС в направлении увеличения ГПФ, свойства элементов меняются, идет их дифференциация, разделение на зоны с разными свойствами, усиление специфичности каждой зоны. В любой ТС можно выделить основные элементы структуры, совокупность которых обеспечивает ее функционирование (рис3:
Рис. 3 - Необходимый элементный состав ТС
На схеме (рис.3.): ИЭ - источник энергии; ГЭ - генератор энергии, преобразующий энергию источника в необходимый вид; ТР - трансмиссия (передача энергии); РО - рабочий орган; ОУ - орган управления
Основные типы структур Т С
1.Корпускулярная. Состоит из слабосвязанных элементов Примеры: газ, жидкость, мелкодисперсная среда; пескоструйные и гидроструйные аппараты; многомодульный станок; рыболовная флотилия и т.п..
2.Плотная упаковка. Состоит из
однотипных жестко связанных
элементов.Примеры: кристаллические
структуры, стена, соты и т.п.).
3.Цепная. Состоит из одинаковых шарнирно связанных элементов. Примеры: поезд, гусеница трактора и т.п.
4.Сетевая. Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой или непосредственно, или транзитом через другие элементы (транзитная связь), или через центральный узловой элемент (звездная структура).Примеры: телефонная сеть, телевидение, система геплоснабжения и т.п.
5.Многосвязная. Элементы системы связаны множественными связями друг с другом. При увеличении числа связей, приходящихся на один элемент (перекрестные, сетевые, сотовые и др. связи) увеличивается количество полезно работающих свойств элементов.
Пример: интернет.
6.Иерархическая. Состоит из разнородных элементов, каждый из которых входит в структуру более высокого уровня иерархии и имеет горизонтальные и вертикальные связи. Примеры: автомобиль, станок, структуры управления и т.п.
Каждый элемент иерархической структуры обладает и индивидуальными и системными качествами. Пример: марка стали, определяющая её качества, зависит от входящих в её структуру элементов (углерод, марганец, хром и т.п.). От качеств стали зависят механические (прочностные) и термические качества детали, технического объекта, технической системы, и, в конечном счёте, всего сооружения.
Организация структуры ТС
Организация структуры ТС есть программирование её с целью получения в результате ГПФ. Организация - это алгоритм совместного функционирования элементов ТС в пространстве и времени. С возникновением организации снижается энтропия возникшей системы, по сравнению с внешней средой. Внешняя среда для ТС - это, чаще всего, другие (чуждые) системы.
Основные принципы организации структуры:
*принцип функциональности
* принцип причинности,
*полноты частей системы;
*принцип дополнительности
Принцип функциональности отражает примат функции над структурой
Функция —— Принцип действия —Структура
Функционирование ТС - это реализация цепочки причинно-следственных связей между элементами. Каждое событие является следствием какой-то причины. Для одной и той же ТС можно подобрать несколько различных структур, в зависимости от физического воплощения или принципа действия. Главный смысл выбора принципа действия - лучшее осуществление системой своих функций.
Выбор физического принципа действия основывается на минимизации массы, габаритов и энергоемкости (МГЭ) ТС при сохранении её эффективности.
Чтобы система работала, необходимо обеспечить внешние и внутренние условия, не препятствующие ее функционированию, обеспечить подвод извне толчка, запуска или искры для осуществления действия.
Принцип полноты частей системы, имеющий статус закона полноты частей системы (ЗПЧС), устанавливает необходимый и достаточный элементный состав ТС, обеспечивающий её функционирование и жизнеспособность.
При организации структуры ТС формулируется главная полезная функция, определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие, отбирается или синтезируется рабочий орган, к которому пристраивается трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления, строятся в первом приближении функциональная (см.рис.3.), функционально-физическая и функционально-конструкционная схемы, выявляются возможные недо-статки и сбои.
Все элементы ТС должны быть связаны между собой вещественными (В), энергетическими (Э) или информационными (И) каналами, (информация является одним из видов энергии).
Связь - это отношение между элементами ТС. Она представляет собой реальный физический канал для прохождения вещества или энергии.
Принцип дополнительности устанавливает условия организации оптимальных связей между элементами. Жизнеспособная организация ТС возникает лишь тогда, когда между элементами, входящими в систему, образуются устойчивые во времени, согласованные по свойствам отношения, приводящие к усилению полезных качеств и ослаблению (либо полному гашению) вредных качеств элементов. Полезные качества элементов трансформируются в полезные функции системы. При формировании таких связей внутрисистемные процессы являются энергетически более выгодными, чем межсистемные. При этом система становится низкоэнтропийной, а, следовательно, энергетически более целесообразной.
Энтропия- это функция состояния системы, характеризующая её свойство рассеивать энергию с потерей работоспособности
Основными характеристиками связей являются:
• физическое наполнение, определяемое потоком вещества или поля, протекающих по связи;
• мощность связи, определяемая её физическим сопротивлением, прохождению потоков вещества или поля. Все многообразие связей, организующих структуру ТС, может быть сведено к следующим видам:
Классификация связей |
||
По принципу действия |
По функциональности |
|
односторонние |
двусторонние комбинированные |
|
-полупроводниковая; -селективная; -рефлексивная; -запаздывающая; -положительная; -отрицательная; -нейтральная; -контрсвязь |
-двусторонняя; -положительная-обратная; -отрицательная-обратная; -двойная- | -отрицательная обратная |
|
-функционально-необходимая; вспомогательная; -увеличивающая надежность -избыточная; -вредная |
Для того чтобы система была жизнеспособной, сопротивление внутренних связей прохождению потоков вещества и энергии в ТС должно быть меньше сопротивления связей ТС с внешней средой (ТС-надсистема). Только при этом условии функционирование ТС будет надежным.
Односторонние связи характеризуются большей жесткостью и возможностью:
• пропускать потоки только в одном направлении (полупроводниковая связь);
• отсеивать ненужные потоки (селективная связь).Примеры: в колебательном контуре приемного устройства выделяется нужная частота; емкостное сопротивление отсеивает низкие частоты, а индуктивное высокие;
• связывать элементы системы в ответ на действие внешних причин (рефлексивная связь);
• связывать элементы системы с задержкой по времени (запаздывающая связь). Примеры: реле времени
• увеличивать мощность потоков при увеличении «разности потенциалов (положительная связь) и уменьшать мощность потоков при увеличении «разности потенциалов» (отрицательная связь).
Двусторонние комбинированные связи характеризуются большей гибкостью, хорошей управляемостью, возможностью осуществления режима работы ТС:
• со взаимной стимуляцией, увеличением мощности потоков и нарастанием процессов (положительная обратная связь);
• стабилизацией и установлением устойчивого равновесия в системе (отрицательная обратная связь) (см.пример 1).
• подавлением и взаимным угнетением работы элементов .(В системе состоящей из трех элементов появляется еще более сильное качество: восстанавливать нарушенное равновесие см.пример2).
Увеличение степени организованности системы прямо зависит от числа связей между элементами.
Степень организованности ТС отражает степень предсказуемости и степень стабильности осуществления ею ГПФ. Однако абсолютно стабильных и предсказуемых систем нет. Полная предсказуемость возможна только для неработающих (мертвых) систем. Полная непредсказуемость характерна для дезорганизованных систем. Системы находятся в постоянном развитии и, развиваясь, усложняются. Сложность организации возрастает при развертывании ТС и характеризуется увеличением числа элементов и разнообразием связей между ними, увеличением числа уровней иерархии. Сложные системы менее стабильны. В них возникают избыточные и даже вредные связи. При свертывании ТС число элементов уменьшается за счёт того, что некоторые элементы берут на себя функции других элементов, либо организация «загоняется» внутрь вещества (микроэлектроника), либо выполнение функций ТС берет на себя ближайшая надсистема (музыкальный центр). Вариативность в организации элементов и связей между ними обуславливает все разнообразие структур ТС. По организации связей между элементами ТС различают структуры: корпускулярную; с плотной упаковкой, со связями, подобными связям в кристаллической решетке; линейную; кольцевую; звездную; смешанную; иерархическую.
Универсальную общность знаний о значении связей между элементами
|системы на организацию её структуры и, в конечном счёте, на системный эффект, можно подчеркнуть рассмотрением следующих аналогий:
1. Физика. Различие в связях между атомами и молекулами веществ
приводят к различию их фазовых состояний (твердое, жидкое, газообразное, ионизированное), многообразию структур и физических свойств.
2. Химия, биохимия и биология. Различные связи между химическими
элементами, возникающие в результате химических и биохимических реакций, создают все многообразие тел живой и неживой природы. Различные связи между ароматическими молекулами продуктов (запахами) приводят к появлению запаха приготовленной пищи. Различные связи между атомами в человеческих генах приводят к уникальной неповторимости каждого человека и т.д..
3.Русский язык, литература. Различные связи между буквами алфавита
приводят ко всему многообразию слов в русском языке. Пример: г,о,л,а,в—
Волга. В результате этих связей между словами появляются на свет либо
шедевры прозы и поэзии, либо никому не нужная книжная макулатура.
4.Математика. Различные связи между цифрами, обусловленные известными математическими операциями, приводят к великому многообразию чисел, числовых рядов, математических и функциональных j зависимостей. Различные связи между линиями и углами приводят к многообразию геометрических форм, орнаментов и т.п. |
5.Искусство. Различные связи между нотами приводят к многообразию музыкальных произведений. В результате этого появляются либо музыкальные шедевры, либо какофония звуков, вызывающая раздражение. | 6.Образованне, социология..От качества психолого-педагогических связей |
От взаимодействия между людьми зависит политическая атмосфера в обществе.
7.Бизнес. Различные межличностные связи между работниками
коммерческой фирмы приводят либо к её процветанию, либо банкротству. | 8.Политика. Различные связи между государствами приводят либо к их
сотрудничеству и взаимопониманию, либо к конфронтациям и войнам.
Факторы, разрушающие организацию. Существуют два основных фактора разрушающих организацию:
1) внешние (со стороны надсистемы). Эти факторы активно действуют в том случае, когда их мощность превышает мощность внутренних связей системы: внешние вибрации, землетрясение, внешние химические воздействия и т.п.;
2) внутренние (энтропийные).Они всегда присутствуют в системе, какой бы совершенной она ни была. Износ элементов системы, усталость металла, коррозия, вынос вещества в окружающую среду, энергетические потери (рассеяние энергии на трение, тепломассообмен) и т.п.
Управление структурой
Одним из важнейших свойств, характеризующих степень организованности структуры является возможность управления ею. Управление идет по специальным каналам (связям) и представляет собой последовательность команд во времени. Наиболее распространенным является управление параметрами элементов при отклонении их от нормы при работе.
Форма
Форма - это внешнее проявление структуры ТС. Если логика построения структуры определяется внутренними принципами (принцип действия), то форма зависит от требований, предъявляемых к ТС надсистемой. Основные требования к форме:
• функциональные (форма резьбы, требования плотной упаковки элементов и т.п.);
• эргономические (удобство рукояти инструмента, сидения водителя и т.п.);
• технологические (простота и удобство изготовления, обработки, транспортировки и т.п.);
• эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкость, удобство ремонта и т.п.);
эстетические (дизайн, красота, приятность, «теплота» и т.п.).