Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
книги / 856.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
07.06.2023
Размер:
16.06 Mб
Скачать

35

3. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Если продолжить сравнение ТРИЗ (теория решения изобретательных задач) с техническими системами, то опорой теории наверняка будут ЗРТС (законы развития технических систем).

Рассматриваемые ниже законы выявлены в ТРИЗ в результате анализа огромного массива изобретений и многократно проверены при создании но­ вых объектов.

Чтобы перейти к конкретному рассмотрению ЗРТС, необходимо ввести несколько определений.

Будем считать, что технической системой (те) называется некоторое множество взаимосвязанных элементов, обладающих качественно новым свойством, не сводящимся к свойствам отдельных его элементов.

Вкачестве технической системы возьмем контактную шовную свароч­ ную машину (рис. 3.1).

Машина производит сварку непрерывным швом бензобаков, канистр и

т. Д. до 0,1-3,0 мм.

Всварочную машину при поднятых электродах вносят свариваемые детали б. Механизм автоматически опускается и сразу же приводятся во вращение электроды за счет привода 10. В это же время со сварочного трансформатора подается сварочный ток (10000-15000 А). В процессе пере­

дачи свариваемых деталей на электроды подается ток, который проходит к свариваемым деталям. Детали под действием тока нагреваются до темпера­

туры плавления, где и происходитсварка.

Например, в сварочной машине можно изменить режимы сварки: сва­ рочный ток, усилия сварки, время сварки. В свою очередь, эти параметрыЯВ­ ляются системамипо отношениюк толщинедеталей и скорости сварки.

Например, в сварочной машине (рис. 3.1) можно выделить такие эле­ менты подсистемы, как ролики 5, кронштейн 7, гибкую шину 8, сварочный трансформатор 2 и наконец свариваемые детали 6 и привод сварочного роли­ ка 1О, 11, 12, 13.

Кроме того, каждая те входит как составная часть в свою надсисте­ му. Надсистемой называется система более высокого уровня, которая включает несколько те, являющихся составными элементами этой сва­ рочной машины.

Техническая система обычно состоит из элементов, определенным об­ разом размещенных и связанных друг с другом в пространстве (устройства, вещества), или элементов, следующих друг за другом во времени (операции, процессы). Например, в систему изготовления сварочной машины входят подсистемы всей машины, которые указаны выше, а также подсистемы элек­ трооборудования, пневматическая часть, управление машиной. Тогда над­ системой будет являться производство данного изделия.

36

3

4

5

6

5

4

Рис. 3.1 Схема шовной контактной машины 1 -

корпус машины; 2 - сварочный

трансформатор, 3 -

привод сжатия,

4 - консоли, 5 -

ролики, б - свариваемые детали;

7 - кронштейн, 8 -

гибкие тины, 9 -

вторичный виток трансформатора, 1О - привод вра­

щения роликов, 11 - двигатель, 12 - редуктор; 13 - карданный вал

Изложенные определения позволяют перейти непосредственно к фор­ мулировке законов, по которым развиваются любые те. Эти законы ЯВЛЯЮТ­ ся формой реализации в технике известных законов материалистической диалектики единства и борьбы противоположностей; отрицания отрицаний; перехода количественных изменений в качественные.

В настоящее время известны одиннадцать основных законов разви-

тия технических систем:

развития те по S-образной кривой; полноты частей те;

сквозного прохода энергии;

повышения степени идеальности те; вытеснения человека из те; неравномерности развития частей те; свертывания-развертывания те;

37

повышения динамичности и управляемости те; перехода те на микроуровень и преимущеетвенного использования

полей; перехода те в надсистему;

согласования-рассогласования те. Рассмотрим подробно эти законы.

1. Характеристика жизни и развития любой технической системы имеет вид S-образной кривой (рис. 3.2). Подобная форма кривой является общей для развития не только технических, но и биологических, обществен­ ных и других систем. Так развиваются не только сами системы, но и их от­

дельные подсистемы.

Справедливость этого закона подтверждена результатами многих ис­ следований. В одной из книг по теории промышленного развития показано, что по k.~-образноЙ кривой изменяются не только технические, но и экономи­

ческие показатсли, такие как изменение спроса и предложения продукции. Рассмотрим эту замечательную кривую.

Как правило, S-образную кривую изображают в виде графика, по одной из осей координат которого отложены значения основных параметров систе­ мы N, а по другой - время Т. ДЛЯ те основными параметрами могут быть

мощность, скорость, грузоподъемность и т. д.

В действительности S-образная кривая не является такой гладкой, как она представлена на рис. 3.2. В связи с неравномерным развитием подсистем график (рис. 3.3) имеет вид ломаной линии, на которой, однако, можно выде­ лить характерные участки (этапы I~IV)J определяющиекоренные изменения в развитии те.

Этап 1 является начальным и характеризует зарождение те, образно говоря, ее «детство». На этом этапе те только что создана в макетном или опытном образце, впервые реализован заложенный в нее новый принцип действия. В этот период те имеет больше недостатков, чем преимуществ, и развивается только за счет энтузиазма ее создателей.

N

N

т

т

Рис. 3.2. Кривая жизни те

Рис. 3 1. Основные этапы жизни те

38

Этап 11 характеризует активное развитие те, ее массовое производство, интенсивное усовершенствование всех подсистем, входящих в нее. На этом 7тапе коллектив создателей увеличивается за счет ПрИБлечения Болыllгоo числа специалистов, занятых в технологическом процессе выпуска те.

Этап 111 характеризует замедление подъема показателей те. Система

уже исчерпала свои потенциальные возможности и ее развитие резко замед­ ляется, она «стареет». Если рост показателей еще и происходит, то это осу­

ществляется только за счет отдельных

усовершенствований внешнего, кос­ метического характера. В этот период

сама система и ее промышленное про­

изводство продолжают двигаться

больше по инерции, чем развиваться. Количество участников производства данной системы возросло по сравне­

нию с начальным этапом, и они в

большинстве СБоем являются актив­ ными защитниками данной системы, сопротивляясь и противодействуя соз­ данию принципиально новой те.

Этап lV - постоянство парамет­ ров те или в некоторых случаях даже спад ее показетелей. Здесь возможны два случая. В первом те вышла на свой предельный уровень развития и

дальше развиваться не может, по­

скольку полностью исчерпаны ресур­

сы физического принципа ее действия. Во втором случае спад показателей

означает продолжение процесса со­

вершенствования данной те, но это

совершенствование происходит уже за

счет ухудшения ее второстепенных

параметров.

Как правило, на одном из ран­ них этапов развития те зарождается идея новой (кривая ТСБ на рис. 3.4, а), более совершенной по своим показа­ телям системы, выполняющей свои функции на другом физическом прин­ ципе. Случается, однако, что зарожде­ ние и развитие альтернативных те

N

а

т

Кuз

б

т

в

r

з

г

т

Рис 3 4. Характерные показатели жизни те

39

происходит одновременно. Но если для одной из них, пусть даже более про­ изводительной, в данный момент времени нет соответствующих условий (материалов, технологий и т. д.), то такая те вынуждена ждать «своего часа». Ярким примером этого является электромобиль. Идея его создания возникла практически одновременно с идеей создания автомобиля с двигателем внут­ реннего сгорания. Однако из-за неразвитости ряда подсистем, И, в первую очередь, аккумуляторов, электромобиль до настоящего времени не вышел из стадии эксперимента, в то время как автомобиль с двигателем внутреннего сгорания за 100 лет своего существования завоевал весь мир.

е S-образной кривой (рис. 3.4, а) взаимосвязаны другие интересные показатели, такие как изменения количества изобретений Киз (рис. 3.4, б) за время жизни те, уровня этих изобретений У (рис. 3.4, в) и эффективности ТС на каждом этапе Э (рис. 3.4, г). Попробуем сопоставить S-образную кривую жизни те с другими изобретательскими показателями в этот период.

Кривая Киз имеет два пика: в точках перегиба кривой между этапами 1 и 11,111 и TV. Первый пик объясняется тем, что при переходе к массовому про­ изводству технического объекта возникает большое число изобретений, на­ правленных как на развитие данного объекта, так и на создание технологии его изготовления, сборки, измерения параметров, разработки необходимой

оснастки и т. д.

Второй пик изобретательской активности в жизни ТС появляется, когда

система, исчерпав свои потенциальные возможности развития, вступает в зо­ ну застоя. Все участники производственного процесса активно пытаются

продлить жизнь угасающей системы и совершенствуют ее отдельные элемен­ ты, не меняя ничего в принципе действия.

Вполне естественно, что за время жизни те сопровождающие ее изобретения имеют разные уровни. Наиболее высокий уровень имеет место в начале жизни системы, ведь все начинается с пионерской идеи, когда созда­ ются изобретения, нацеленные на принципиальные изменения в структуре объекта. Затем уровень снижается, так как пионерская идея дополняется большим количеством идей более низкого уровня. Новый всплеск уровня изобретений появляется в периоды бурного развития ТС, перехода к серий­ ному производству и дальнейшему совершенствованию всех входящих в нее

подсистем.

Оценивая эффективность ТС, можно отметить, что на начальном этапе она обычно имеет самую низкую эффективность, в большинстве случаев да­ же отрицательную, так как затраты на разработку и создание опытного или экспериментального образца превышают отдачу от него. Затем эффектив­ ность растет и достигает своего максимума при вхождении те в период при­ ближения к своему «застою». Таким образом, именно на данном этапе те в максимальной степени использует все свои ресурсы.

40

Развитие те по S-образной кривой может быть проиллюстрировано на примере системы записи и воспроизведения информации - системы, имею­ щей большое распространение и потому хорошо известной всем.

В качестве параметра, характеризующего эту те, можно рассмотреть, например, объем информации на единицу площади поверхности носителя (пластинки, магнитной ленты, магнитного диска и т. д.). Можно ввести и не­ который интегрированный показатель, учитывающий, кроме того, габарит­

ные, весовые и энергетические параметры системы.

Посмотрим, какой же путь прошла система записи и воспроизведения информации за годы своего существования.

Прежде всего отметим, что с точки зрения физических принципов, ис­ пользованных для этих целей, система прошла ряд этапов, каждый из кото­ рых условно можно назвать механическим, магнитным и оптическим (лазер­ ным). Таким образом, в надсистеме звукозаписи и звуковоспроизведения (ко­ торая, кстати, продолжает развиваться) можно выделить ряд конкурирую­ щих, пытающихся сменить друг друга систем, развитие каждой из которых как раз и подчиняется закону SУ-образной кривой.

Все началось с фонографа Т. Эдисона (1847-1931), изобретенногоим в 1877 г. Сейчас фонограф можно увидеть лишь в музеях истории техники. Звук в нем записывался на цилиндрическом валике, обернутом оловянной фольгой (или бумажной лентой, покрытой слоем воска), с помощью иглы, связанной с мембраной, которая начинала колебаться под действием звука. Игла вычерчивала на поверхности фольги винтовую канавку переменной глубины, а при воспроизведении движущаяся по канавке игла совершала ме­ ханические колебания, передаваемые на соединенную с ней мембрану, ис­

пускавшую, в свою очередь, звуковые волны.

Первый фонограф был достаточно прост, качество его звучания было низким. Тем не менее он уже содержал все основные элементы звукозаписы­ вающей и воспроизводящей систем.

Возможности фонографа были оценены достаточно быстро. Возникла потребность в массовом производстве как самих фонографов, так и записы­ вающих валиков (носителей информации). Однако скоро выяснилось, что, например, валики имеют малую емкость информации и их трудно копиро­ вать. Обе трудности были преодолены, когда уже в 1888 г. немецким инже­ нером Э. Берлинером, работавшим в США, в качестве носителя звука был предложен цинковый диск, покрытый тонким слоем воска, и аппарат для воспроизведения звука с этого диска - граммофон. Диск Берлинера позволял снимать с него по определенной технологии большое количество целлулоид­ ных, каучуковых, а в конце концов - шеллачных копий. Это позволило пе­ рейти к массовому производству как граммофонных пластинок, так и сравни­ тельно портативных патефонов. Параллельна с самой пластинкой, изменяв­ шейся в сторону увеличения плотности и объема записи, расширения частот-

41

ного диапазона передачи звука и т. Д., происходило совершенствование и

других подсистем. Так, например, иглы для патефонов, которыми пользова­ лись люди старшего поколения, имели срок службы 5 МИН., т. е. их надо было менять для прослушивания каждой пластинки. Применение корунда и алмаза для изготовления игл увеличило срок из службы в десятки и даже сотни ты­ сяч раз (игла практически стала «вечной») и позволило использовать пла­ стинки с плотной записью - долгоиграющие. Строго говоря, механическая

система в том виде, в котором мы ее рассмотрели, просуществовала до 4D-SO-x годов. Ей на смену пришла электрическая, точнее электроакустиче­ ская система записи и воспроизведения. Эта система, как и предыдущая, свя­ зана с записью звука на граммофонную пластинку, и может рассматриваться как развитие механического принципа. Электроакустическая система позво­

лила повысить как качество звучания, так и мощность воспроизведения зву­

ка, что, в свою очередь, создало условия для прослушивания пластинок в

больших помещениях и при большом скоплении слушателей, в том числе и в стереофоническом и квадрофоническом режимах.

Развитие механической системы во времени показано на рис. 3.5 (кривая 1).

N

"

Рис 3.5. Кривые жизни конкурирующих те

На этапе активного развития данной системы (участок 2) приблизи­ тельно в 30-е годы зародилась и начала развиваться другая система записи и воспроизведения информации - магнитная (кривая 11).

Новая система обладает значительными преимуществами по сравне­ нию с предшествующей, однако она не исключает последнюю из эксплуата­ ции и даже стимулирует ее дальнейшее развитие. Магнитная система запи­ сывает звук с помощью ориентированных определенным образом магнитных частиц (доменов) на гибкой ленте и воспроизводит его путем считывания магнитного поля, созданного этими частицами, и преобразования его в элек­ трический ток, проходящий через громкоговоритель. В настоящее время эта

система получила очень широкое распространение.

42

Обе системы, конкурируя между собой, развиваются благодаря совер­ шенствованию входящих в них подсистем. Так, например, обе те прошли

этапы автоматизации управления и использования элемента записи для счи­ тывания, дискретного изменения скорости носителя звука, обеспечения сте­ реозвучания, увеличения ДЛИНЫ ЗВУКОВОЙ дорожки, миниатюризации узлов и блоков подсистем и т. Д.

В третьей системе (кривая 111), использующей лазерный принцип при сохранении некоторых основных внешних атрибутов систем механической и магнитной записи и считывания, принцип нанесения и считывания звука из­ менен на оптический. Звуковая информация наносится лазерным модулиро­

ванным лучом на специальную подложку диска, а считывание производится

путем регистрации светового сигнала, отраженного от поверхности оптиче­

ского диска. ЭТО ПОЗВОЛИЛО вновь резко повысить качество и объем звуковой информации на носителе. Оптическая система появилась в 70-х годах, когда

предшествующие - механическая и магнитная - системы в основном уже ис­ черпали возможности своего развития. В настоящее время они совершенст­ вуются главным образом за счет незначительных конструктивных и дизай­ нерских изменений или за счет объединения с другими ТС.

Набор S-образных кривых жизни конкурирующих ТС отражает диалек­ тический характер развития техносферы. Все ВНОВЬ создаваемые ТС должны быть хоть немного более надежными, производительными, более удобными в эксплуатации, чем предшествующие. В противном случае вновь созданные системы не могут являться конкурентами своих прототипов. Иными словами,

право на жизнь имеют только те усовершенствования, которые изменяют ис­

ходную систему в направлении, предписанном зртс.

2. Закон полноты частей технической системы гласит: «Необходи­ мым условием принципиальной жизнеспособности те является минимальная работоспособность основных частей системы».

Каждая те должна включать четыре основные части: двигатель, транс­ миссию, рабочий орган и орган управления, причем они должны быть хотя бы в минимальной степени ориентированы на выполнение системой ее главных функций. Это означает, что каждая из упомянутых частей ТС долж­ на быть работоспособной в тех условиях, в которых работает вся ТС.

Так, например, в ТС (рис. 3.1) двигатель 11 присутствует обязательно, трансмиссией являются редукторы 12, которые обеспечивают передачу энер­ гии от двигателя 11 к рабочим органам - кронштейну, который приводит в движение сварочный ролик 5; органом управления является блок управления машиной (на рисунке он не показан).

Закон полноты частей те на первый взгляд кажется очевидным. Каж­ дый инженер, проектируя какую-либо ТС, стремится обеспечить работоспо­ собность всех входящих в нее подсистем. Однако в дальнейшем, при совер­ шенствовании те и улучшении работы отдельных ее частей, происходит

наращивание на основную структурную схему дополнительных узлов и

43

ращивание на основную структурную схему дополнительных узлов и блоков, введение которых порой идет вразрез с требованиями закона, в результате чего совершенствуемая система может оказаться нежизнеспособноЙ.

3.Закон сквозного прохода энергии. СУЩНОСТЬ этого закона сводится

кследующему: любая ТС дЛЯ выполнения своих функций должна обеспечить

сквозной проход энергии ко всем частям системы. Данный закон вместе со вторым ЗРТС определяет условия жизнеспособности любой ТС. При кажу­ щейся простоте и очевидности этого закона его строгое выполнение позволя­ ет избежать многих ошибок при разработке новых те. Особенно это важно учитывать при совершенствовании сложных ТС или наращивании их допол­ нительными узлами, блоками и элементами. Иногда, увлекшись возможно­ стью обогащения ТС новыми дополнительными функциями, разработчики забывают или не в полной мере обеспечивают энергией вновь введенные подсистемы. Это приводит К неполному функционированию введенных под­ систем или даже всей те в целом.

Для успешного обеспечения сквозного прохода энергии ко всем частям

системы полезно использовать вещественно-полевые ресурсы, о которых

речь пойдет ниже.

4. Закон повышения степени идеальности технических систем гла­ сит: «Развитие ТС идет в направлении повышения идеальности». Понятие «идеальность» в ТРИЗ имеет специфическое толкование, поэтому его следует рассмотреть более подробно.

В ТРИЗ принят функциональный подход: идеальной является такая система, которой нет, а ее функция выполняется. В стремлении к идеалу те должны ничего не весить, не занимать объема, не потреблять энергии и т. Д., при ЭТОМ выполнять то, для чего они предназначены. Идеальный грузовик - самодвижущийся, ничего не весящий кузов. Чем грузовик больше, тем боль­ шую часть общей массы составляет перевозимый груз - отсюда стремление конструкторов создавать большегрузные автопоезда.

Транспортное средство, очень близкое к идеальному, существует на самом деле - это обычный плот. На время перемещения груза, т. е. бревен, он как транспортное средство - есть, а затем, прибыв на место, исчезает, и оста­ ется один груз - бревна.

Изучение истории развития техники позволило выявить такие основ­ ные направления повышения степени идеальности существующих ТС, как:

специализация ТС, ведущая к повышению удельных параметров, т. е. отношения полезного параметра (мощности, производительности, точности и Т. д.) К вредному (потерям, помехам), конструктивному (массе, размеру) или

стоимостному;

универсализация ТС, ведущая к повышению удельного веса функцио­ нирования системы, т. е. отношения числа функций, выполняемых системой, к массе, объему, стоимости и другим параметрам системы;

44

выявление и использование ранее не эксплуатировавшихея СВОЙСТВ, параметров или частей самой системы;

совмещение в те, находящихся на высоком уровне развития, универ­ сализации со специализацией путем перехода к динамичным управляемым или самоуправляемым системам, способным при подготовке к работе или непосредственно в процессе функционирования изменяться для лучшего вы­ полнения той или иной функции;

повышение степени согласования частей те между собой и с внешней средой без существенного изменения принципа действия системы;

повышение полноты частей Т'С и вытеснение из нее человека как эле­ мента этой системы.

Рассмотрим, как проявляется закон идеальности в системах магнитной записи и воспроизведения звука - магнитофонах. е момента своего появле­ ния в начале хх В. магнитофон претерпел поразительные изменения. От гро­ мадного ящика со сложной механикой и большим энергопотреблением он уменьшился до настольного или даже карманного прибора, работающего от батареек. Специальные записывающие устройства ныне могут даже разме­ щаться в сережках, перстнях, часах и других малогабаритных предметах. В этом нашло отражение стремление конструкторов магнитофонов к умень­ шению их массы, размеров, потребляемой мощности, т. е. стремление к иде­ альности. Увеличение числа полезных функций проявляется в возможности многократной записи информации и ее стирания, объединения с компьюте­ ром, с автоответчиком, генерации справочной непрерывной информации

ит.д.

Еще один пример проявления закона идеальности в действии - разви­ тие систем металлообработки. Если в 60-е годы для обработки деталей слож­ ной формы требовался целый парк металлообрабатывающих станков, то в настоящее время для этих же целей можно использовать всего один обраба­ тывающий центр.

Закон ПОВЫIllения степени идеальности технических систем позволил сформулировать понятие об идеальном решении, идеальном конечном ре­ зультате (ИКР) решения. Не случайно формулирование ИКР - одии из важ­ нейших инструментов ТРИЗ в целом и АРИЗ В частности. Ориентация на идеальность позволяет резко улучшить работу инженера (конструктора, про­ ектировщика), выбрать среди множества направлений решение наиболее перспективное, так как хотя оно и недостижимо, но в непосредственной бли­ зости от него лежит область сильных изобретательских решений.

5. Закон вытеснения человека из технической системы. Проявление данного закона можно наблюдать в различных областях техники.

Так, например, в авиации широко используют такой «заместитель» че­ ловека, как автопилот. Многие операции человека в металлообработке выпол­ няют обрабатывающие центры, на автоматизированной сборке - роботы и т. Д.

45

в системе звукозаписи и воспроизведения вытеснение человека на­

тлядно проявляется по мере совершенствования узла управления: вводятся

автоматическая запись и воспроизведение информации, автоматическая ус­

тановка уровня записи и т. д.

При вытеснении человека из те его функции переходят к техническим устройствам. Пока, однако, в ряде случаев такое направление развития те является малоперспективным, так как полное повторение функций человека в техническом объекте зачастую ведет к усложнению всей системы в целом.

Наиболее эффективным направлением вытеснения человека является использование уникальных возможностей машин и механизмов. Так, напри­ мер, при разработке системы автоматизированной сборки изделий не имеет смысла пытаться повторять все сборочные действия человека, более целесо­ образно создавать новые автоматизированные сборочные устройства, ис­ пользующие физические эффекты, учитывающие геометрию собираемых из­ делий, направления возможного их сближения и т. д.

6. Закон неравномерности развития частей технической системы говорит о том, что все те в отличие от биологических развиваются дискрет­ но. Дискретность обусловлена необходимостью накопления знаний о работе системы, выявления ее недостатков и поиска путей их устранения.

Анализ работы любой реальной те обычно показывает, что ее отдель­ ные узлы и блоки работают хорошо, другие - хуже, третьи, возможно, - со­ всем плохо. Неодинаковость их работы часто вызывает несогласованность в работе всей системы в целом. Попытки усовершенствования отдельных час­ тей системы часто вызывают сопротивление соседних подсистем, самой сис­ темы, ее надсистемы и окружающей среды. Это сопротивление может прояв­ ляться В различных требованиях, предъявляемых к усовершенствованной системе со стороны ее окружения, в том числе и среды. Например, требова­ ние повышения скорости самолета ведет к необходимости разработки нового двигателя. Это, в свою очередь, требует изменений в конструкции самолета, повышения прочности его элементов, изменения формы, использования но­

вых материалов и т. Д.

Стремление конструкторов усоверIIIенствовать один плохо работаю­ щий узел или блок приводит к тому, что происходит скачок в качестве рабо­ ты именно этой подсистемы и опережение ею остальных.

Следующим шагом является усовершенствование работы других бло­ ков, при этом оказываются «в хвосте» третьи и т. д. так происходит до тех

пор, пока вся система в целом не исчерпает возможности своего совершенст­

вования или не появится новая, более совершенная, работающая на ином

принципе система.

Контактная шовная сварка появилась почти 100 лет назад, но принципи­ альная конструкция машины почти не изменилась. Однако блоки ее управле­ ния значительно изменились как по габаритам самого блока управления, так и

46

его схема сварки. Размеры первого блока управления машиной составили: L - 1800,Н- 500 + 400, а сейчас с процессорной техникой 200 х 100 х 100.

7. Закон свертывания-развертывания технических систем гласит: «Развитие те идет в направлении развертывания те при возможном на оп­ ределенном этапе развития системы свертывании». Термин «свертывание»

отражает процесс упрощения системы при сохранении количества и качества

функций, выполняемых системой. Развертывание означает, что на опреде­

ленном этапе развития число структурных элементов может увеличиваться.

Действительно, если мы проследим процесс жизнедеятельности любой те от ее рождения до глубокой старости, то легко можем наблюдать, что в начальный период любая те работает в своей минимальной функциональной структуре и содержит минимальное количество узлов, обеспечивающих вы­ полнение требуемой функции. Этот набор минимального числа элементов системы, обеспечивающий ее работоспособность, называется функциональ­ ным центром. В дальнейшем происходит возрастание количества выполняе­ мых функций, при этом увеличивается и количество входящих в те функ­ циональных элементов. Процесс продолжается до определенного предела, пока не происходит объединение, свертывание некоторых взаимосвязанных блоков в новый самостоятельный узел.

Так, например, минимальная структурная схема магнитофона, вклю­

чающая электропривод, каналы записи и воспроизведения звука, магнитную

ленту с катушками, с течением времени стала наращивать дополнительные

функции управления скоростью движения магнитной ленты, выбора опти­ мальных режимов работы, подключения внешних устройств и т. д.

В то же время процесс развертывания получил свое продолжение в на­ правлении объединения (свертывания) магнитной ленты и катушек в единый

узел - кассету с одновременным уменьшением ее размеров.

По мере углубления наших знаний об окружающем мире становится все более очевидным, что дальнейший научно-технический прогресс должен идти не вширь, а вглубь, Т. е. таким образом, чтобы в ходе развития те про­ исходило не наращивание потребляемой ими энергии, а, наоборот, ее умень­ шение. В частности, это означает стремление те к предельной микроминиа­

тюризации, к построению их непосредственно из атомов и молекул.

Наглядным примером такой тенденции является микроминиатюриза­ ЦНЯ радиоэлектронной аппаратуры. В качестве примера можно привести на­ нотехнологию технических процессов атомной сборки, когда вместо процес­

са изготовления изделия, включающего выплавку металла, вырезание из него деталей определенной формы и набора и их последующую сборку, предлага­

ется использовать цепочку: атомы - молекулы - агрегаты молекул - микро­

детали - изделие.

8. Закон повышения динамичности и управляемости технических систем. Это значит, что развитие те идет в направлении повышения дина-

47

мичности И управляемости как отдельных частей, так и всей системы

в целом.

Под термином «динамичность» те или ее частей будем понимать ка­ чество, характеризующее способность Т'С или входящих в нее подсистем проявлять большую подвижность при все возрастающем числе степеней свободы.

Выше мы уже отмечали, что каждая подсистема взаимодействует как с соседними подсистемами, так и с самой системой и окружающей ее средой. Оптимальной для каждой подсистемы является ситуация, когда на любом этапе своего собственного функционирования и функционирования сопря­ гающихся с ней систем, она оказывается способной адаптироваться к окру­ жающим условиям так, чтобы расход энергии, сопровождающей ее работу, был минимальным.

Этот закон проявляется в процессе развития ТС, которое происходит:

от систем с постоянными параметрами к системам с параметрами, из­

меняющимися при изменении режимов работы, что обеспечивает оптималь­ ность функционирования системы (В качестве примера можно привести тот же магнитофон с разными скоростями движения ленты);

от узкофункциональных систем, предназначенных для выполнения конкретной операции, к широкофункциональным системам, позволяющим изменять функцию системы путем ее перенастройки, в том числе к системам

со сменными органами;

от автономного принципа работы системы, при котором выполнение функции задано соответствующим внутренним устройством системы к про­ граммному (В качестве примера можно привести станок с числовым про­ граммным управлением, имеющий набор различных инструментов и способ­ ный к программированию процесса обработки дегали).

Развитие ТС происходит также по следующим направлениям:

ксистемам с дифференцированными внутренними условиями (условия

внекоторой оперативной зоне стремятся стать оптимальными для проведенного технологического процесса: температура, давление, газовый

состав и т. д., В то время как условия на выходе и входе системы определяют

внешняя среда или человек. К таким системам относятся различные печи для обжига и сушки, где в оперативной зоне создают требуемую температуру, давление и газовый состав, а за пределами поддерживают условия для нормальной работы оператора);

к системам с повышенным числом степеней свободы, с гибкими, эла­ стичными исполнительными элементами (например при создании захватных устройств промышленных роботов конструкторы стремятся не только увели­ чить число степеней свободы, но и сделать сами захваты из гибких, эластич­ ных материалов);

48

к системам с изменяемыми связями между элементами с заменой веще­ ственных связей полевыми, с использованием вещественных связей, меняю­ щихся под действием поля и Т. Д.;

от неуправляемых систем к управляемым, в том числе:

с управлением, зависящим от параметров внешней среды; с ис­ пользованием обратимых физических и химических превращений (фазовых переходов, ионизации - рекомбинации, диссоциации - син­ теза);

управлением путем введения хорошо управляемого процесса,

противоположного основному процессу;

управлением за счет обратных связей (например для временного закрепления и удержания сборочных деталей и элементов иногда используют фазовые переходы веществ);

от систем со статической устойчивостью к системам, динамически ус­ тойчивым за счет непрерывного управления (последнее правило наглядно подтверждается теорией устойчивости самолета: чем выше его статическая устойчивость, тем он более безопасен, но менее маневренен. В настоящее время разрабатывают самолеты с минимальным запасом устойчивости, но их безопасность обеспечивается непрерывной работой автоматов и рулей по устранению отклонений. Более простым примером является велосипед: трех­ колесный велосипед обладает статической устойчивостью, а двухколесный - динамической);

к использованию самопрограммирующихся, самообучающихся, само­ восстанавливающихся систем (к ним, например, относятся самообучающиеся робототехнические системы).

9. Закон перехода технических систем на микроуровень и преиму­ щественпого использования полей гласит: «Развитие те идет в направле­ нии перехода отдельных систем или частей с макроуровнями на микроуро­ вень, с последующим использованием полей». То есть развитие те идет в направлении большей дисперсности составляющих ее элементов, в направ­ лении применения полевого управления и воздействия на входящие в систе­

му элементы.

Использование данного закона в технике способно привести к значи­ тельному повышению уровня создаваемых изобретений, к резкому улучше­ нию параметров и характеристик технических объектов.

ЛИНИЮ «макроуровень - микроуровень - поля» разделяют на ряд сле­ дующих обобщенных структурных образований:

макроуровень - узлы, блоки И элементы те, образуемые монолитной деталью определенной формы (шестеренки, шайбы, втулки и т. п.);

полисистемы, состоящие из нескольких элементов простой геометри­ ческой формы (конструкции из набора плоских листов, нитей, шариков, маг­ нитные сердечники, игловые фрезы, тросы и т. п.);

49

полисистемы из высокодисперсных элементов (порошки, эмульсии, аэ­ розоли, суспензии);

системы, использующие эффекты, связанные со структурой веществ - аморфных и кристаллических, твердых и жидких, с кристаллическими пере­ стройками и фазовыми переходами (надмолекулярный уровень);

системы, использующие молекулярные явления - различные химиче­

ские превращения (разложение, синтез, полимеризация, катализ, ингибиро­ вание и т. п.);

системы, использующие атомные явления - физические эффекты, свя­ занные с изменением состояния атомов веществ (ионизация, рекомбинация, действия элементарных частиц, в том числе электронов и т. п.);

системы, использующие вместо веществ действие различных полей. Здесь следует дать определение термину «поле», которое принято в

ТРИЗ и отличается от его классического определения в физике. Под полем в ТРИЗ понимается любое воздействие какого-либо физического агента на те. Так, например, в ТРИЗ полем являются воздействия: механические (механи­ ческое поле), тепловые (тепловое поле), световые (световое поле), запаховые (запаховое поле) и т. д.

Такое отступление от классической физики, где все взаимодействия разделяют на четыре вида: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное, введено ДЛЯ облегчения участи изобретателя, решающего новую задачу, ответ на которую могут подсказать чисто «изобретательские»

поля.

При применении «изобретательских» полей наблюдается тенденция к переходу от полей постоянных к модулированным по амплитуде, частоте и фазе, а также к переменным полям разных знаков; от полей с однородной по­ стоянной структурой к неоднородным и т. Д.

В системе звукозаписи и воспроизведения данный закон проявился в переходе от механической записи и воспроизведения звука к системе, управ­ ляемой магнитным полем, т. е. в переходе от создания и фиксации микроне­ ровностей на твердом шеллаковом диске к гибкой ленте (металлической) и далее к полимерной ленте с ферромагнитным покрытием.

10. Закон перехода технической системы в надсистему. Из этого за­ кона следует, что развитие те идет в направлении более высокого уровня обобщения, т. е. с тенденцией перехода в надсистему. Этот момент наступает

тогда, когда система или ее отдельные части исчерпали все свои возможно­

сти и ресурсы для дальнейшего развития на существующем уровне. С пере­ ходом на следующий уровень развитие продолжается уже в надсистеме.

Переход в надсистему может осуществляться тремя основными путями. 1. Создание надсистемы из однородных объектов. При этом стремятся получить не только суммарный эффект от использования нескольких подсис­

тем, не только взаимоуничтожение присущих этим подсистемам вредных

50

свойств, но и новое качество, рожденное при их объединении. Такое объеди­ нение может привести к образованию бисистемы, состоящей из двух подсис­ тем, или полисистемы, состоящей из нескольких подсистем. В качестве при­ меров би- и полисистем можно привести: биплан, стерео- и квадроаппарату­ ру, полимеры и т. д. Би- и полисистемы могут в дальнейшем объединяться, образуя системы более высокого уровня, чем предшествующие.

2. Создание надсистем из конкурирующих (альтернативных) систем. Это происходит, когда имеется несколько альтернативных те, каждая из ко­ торых уже находится Б области насыщения по своим функциональным воз­ можностям. Их объединение позволяет получить новую надсистему, у кото­ рой достоинства каждой из входящих в те подсистем сохранены, а недостат­

ки устранены.

Например, формирование валков из сухого торфа на торфяном поле может быть обеспечено применением бульдозера с отвалом и потоком сжато­ го воздуха, подаваемого через нижнюю часть отвала. Проблема в данном технологическом процессе заключалась в том, чтобы бульдозер сгребал свер­ ху только сухой слой торфа, толщина которого не является постоянной. Объ­

единение двух систем путем подачи сжатого воздуха в нижнюю кромку от­

вала позволило вести процесс сбора торфа более эффективно и на более вы­ сокой скорости.

3. Создание надсистем из антагонистических систем (систем с проти­ воположными функциями). Это позволяет повысить управляемость надсис­

темы, произвольно менять ее параметры в широком диапазоне.

Например, поочередное пропускание (объединение) в одном трубопро­ воде двух жидкостей с различными свойствами - пульпы, разрушающей тру­ бу, и щелочи, осаждающейся на ее стенках, позволило повысить долговеч­ ность трубопровода. Ранее щелочь, осаждаясь на стенках трубы, забивала ее. Теперь же пульпа сдирает эти осадки, которые защищают таким образом са­ мутрубу.

11.Закоп согласования-рассогласования технических систем гла­ сит: «В период жизни те происходит согласование и рассогласование ее подсистем между собой и (или) с внешней средой».

В данном законе термин рассогласование включает понятие целена­ правленного отклонения от «согласованного» режима работы, обусловленно­ го необходимостью решения каких-либо локальных или общих задач. Далее мы будем говорить об основном процессе - согласовании. Этот процесс, на­ пример в магнитофоне, проявляется в режимах записи и воспроизведения, когда механическое движение магнитной ленты согласуется с работой элек­ тронной части магнитофона.

В процессе развития те обычно происходит согласование ее подсистем как между собой, так и (или) с внешней средой. Согласование может идти по

51

различным показателям и характеристикам системы: материалам, форме,

размерам, частоте, прочности, надежности, температуре и Т. д.

Согласование может происходить следующими путями:

согласованием параметров подсистем для ПОВЫllIения полезного или

исключения вредного эффекта;

переходом к динамическому согласованию-рассогласованию при под­

готовке к работе или в процессе работы подсистемы.

Согласование элементов по материалам обычно используют для ис­ ключения разрушающего воздействия деталей ТС друг на друга. Так, напри­ мер, при конструировании изделий из различных материалов необходимо ис­ ключить возможность образования электрохимических пар, снижения пластичности стальных изделий при воздействии на них водорода и т. Д.

Согласование по форме и размерам обычно позволяет достичь опти­ мального взаимодействия с внешней средой или с ее отдельными элементами.

Согласование ритма работы подсистем обычно используют для повы­ шения эффективности работы или исключения разрушения системы.

При согласовании подсистем сложных объектов наблюдаются тенден­

ции по использованию отдельных подсистем для выполнения других,

несвойственных им функций.

Например, в кассетных магнитофонах желательно протирать магнит­ ную головку в начале работы. Эту функцию поручили предназначенной для совсем других целей магнитной ленте - на нее наклеивают специальную чис­

тящую полоску.

Каковы же дальнейшие перспективы развития систем записи и воспро­ изведения звука в свете рассматриваемого закона? Можно назвать возможное согласование параметров звука с другими внешними факторами воздействия на человека, например гипнотическими, обонятельными, тактильными (ося­ зательными) и т. д. Возможно также согласование темпа, громкости испол­ нения музыкальных произведений с физиологическими особенностями слу­ шателя (его энцефаллограммой, кардиограммой и т. д.). Перспективно согла­ сование определенной мелодии с общим физиологическим состоянием слу­ шателя, применение этого воздействия в терапевтических целях, для стиму­ лирования работоспособности и т. д.

Одновременно будет происходить все большее свертывание подсистем, т. е. переход к более миниатюрной и компактной звукозаписывающей аппа­ ратуре не только специального назначения, но и предназначенной для быто­ вых целей.

Мы рассмотрели основные ЗРТС и некоторые формы их проявления в технике. В дальнейшем мы очень часто будем возвращаться к этим законам,

проверяя по ним правильность хода решения задач и полученные решения.

Соседние файлы в папке книги