Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория технических систем и методы инженерного творчества в решении задач автоматизации технологических процессов. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Р.Б. Алтынбаев, Л.В. Галина, Д.А. Проскурин
ТЕОРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И
МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО
ТВОРЧЕСТВА В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ
АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рекомендовано к изданию Учёным советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программам высшего образования по направлению подготовки
15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств
Оренбург
2016
УДК 681.5(075.8)
ISBN 978-5-7410-1540-7
©Алтынбаев Р.Б.,
Галина Л.В.,
Проскурин Д.А., 2016
©ОГУ, 2016
ББК 32.965-5-05я73
А 52
Рецензент – доцент, кандидат технических наук В.В. Тугов
Авторы: Р.Б. Алтынбаев, Л.В. Галина, Д.А. Проскурин
А 52 Теория технических систем и методы инженерного творчества в решении
задач автоматизации технологических процессов: учебное пособие / Р.Б.
Алтынбаев, Л.В. Галина, Д.А. Проскурин; Оренбургский гос. ун-т. –
Оренбург: ОГУ, 2016. – 189 с.
ISBN 978-5-7410-1540-7
Рассматриваются основные инструменты теории технических систем и их
применение для решения творческих, изобретательских задач в области
автоматизации технологических процессов и производств. В пособии впервые
системно излагаются методы технических систем, обобщённые с позиций
возможности их использования не только в технике, но и в программировании,
менеджменте, маркетинге и в других областях.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по программе
высшего образования по направлению подготовки 15.03.04 Автоматизация
технологических процессов и производств.
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965-5-05я73
2
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 6
1Основные понятия теории технических систем ........................................................... 10
1.1Концепция теории технических систем ..................................................................... 10
1.2 Развитие определения «Система» .............................................................................. 15
1.3 Понятия, характеризующие строение систем .......................................................... 18
1.4 Понятия, характеризующие функционирование и развитие системы ................... 30
1.5 Вопросы для самоконтроля ........................................................................................ 33
2 Закономерности функционирования и развития систем ............................................ 34
2.1 Закономерности взаимодействия части и целого .................................................... 35
2.2 Закономерности иерархической упорядоченности систем ................................... 400
2.3 Закономерности осуществимости систем ................................................................. 44
2.4 Закономерности развития систем ............................................................................ 488
2.5 Вопросы для самоконтроля ........................................................................................ 53
3 Характеристики технической системы ........................................................................ 54
3.1 Функции технической системы ................................................................................. 54
3.2 Эффективность технической системы ...................................................................... 57
3.3 Состав, морфология и иерархия технической системы .......................................... 61
3.4 Структура технической системы ............................................................................... 65
3.5 Состояние и поведение технической системы ......................................................... 68
3.6 Внутреннее время технической системы .................................................................. 72
3.7 Вопросы для самоконтроля ........................................................................................ 75
4 Надёжность технических систем ................................................................................ 777
4.1 Определение надёжности технической системы ..................................................... 77
4.2 Безотказность технической системы ....................................................................... 788
4.3 Ремонтопригодность технической системы ............................................................. 80
4.4 Долговечность технической системы ....................................................................... 81
4.5 Сохраняемость технической системы ....................................................................... 83
4.6 Вопросы для самоконтроля ........................................................................................ 85
3
5 Жизненный цикл технической системы .................................................................... 866
5.1 Этапы жизненного цикла технической системы .................................................... 866
5.2 Предпроизводственные этапы жизненного цикла технической системы ........... 888
5.3 Производственный этап жизненного цикла технической системы ................... 1055
5.4 Вопросы для самоконтроля .................................................................................. 11010
6 Сущность изобретательской деятельности ........................................................... 11111
6.1 Основные критерии изобретения............................................................................. 111
6.2 Объекты патентных прав ........................................................................................ 1166
6.3 Уровень решения изобретательских задач ........................................................... 1188
6.4 Поиск новой технической информации ................................................................ 1221
6.5 Вопросы для самоконтроля ...................................................................................... 123
7 Методы инженерного творчества ............................................................................. 1254
7.2 Методы случайного поиска .................................................................................... 1287
7.3 Методы контрольных вопросов ............................................................................. 1343
7.4 Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 1385
8 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) ................................................... 1398
8.1 Общие положения ................................................................................................... 1398
8.2 Противоречия требований и противоречия свойств ............................................ 1409
8.3 Идеальный конечный результат ............................................................................ 1432
8.4 Список приёмов устранения технических противоречий ..................................... 146
8.5 Метод маленьких человечков .................................................................................. 154
8.6 Оператор «Размер-Время-Стоимость» .................................................................. 1565
9 Методы анализа ТРИЗ ................................................................................................. 160
9.1 Вепольный анализ ................................................................................................... 1609
9.2 Функционально-стоимостный анализ ................................................................... 1621
9.3 Методы системного анализа .................................................................................. 1632
9.4 «Диверсионный» подход .......................................................................................... 164
9.5 Теория диссипативных структур ........................................................................... 1654
9.6 Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 1665
10 Законы развития технических систем в концепции ТРИЗ ................................... 1676
4
10.1 Линия развития «моно-би-поли-свертывание» .................................................. 1676
10.2 Объединение альтернативных систем. Перенос свойств .................................. 1687
10.3 Закон перехода в надсистему. Системный оператор ......................................... 1698
10.4 Законы развития технических систем по Г.С. Альтшуллеру ........................... 1732
10.5 Тенденции и линии развития технических систем ............................................ 1821
10.6 Вопросы для самоконтроля .................................................................................. 1898
Список использованных источников .......................................................................... 1910
5
Введение
Одним из ценнейших качеств homosapiens является его способность в процессе
познания выделять главные и существенные признаки, оставляя при этом без внима-
ния несущественные или случайные признаки, что необходимо для правильного и
глубокого понимания объекта познания. Метод абстрагирования помогал человече-
ству получать и упорядочивать знания в любой области его деятельности и тем самым
способствовал возникновению и развитию отдельных наук.
Тем не менее, до сих пор для решения той или иной проблемы не всегда имеется
соответствующая теория. В области техники найдётся немало примеров того, как
практика опережает теорию, а развитие теории впоследствии позволяет улучшать до-
стигнутые практические результаты. Так обстоит дело и с теорией технических си-
стем.
Поучительно проследить, как в процессе развития цивилизации менялись пред-
ставления людей о машинах. Сначала было принято рассматривать машину как нечто
целое, состоящее из только ей принадлежащих, ей свойственных частей. Так, мель-
ница не могла быть просто мельницей, а была либо водяной, либо ветряной. По этой
причине в старинных книгах машины описывались как единое целое. Для обозначе-
ния некоторых машин не было специальных понятий. Например, у итальянского ин-
женера и механика Агостино Рамелли (1530-1590 годы) в сочинении «Различные и
искусные машины» (1588 год) отсутствует термин «насос» при описании соответ-
ствующей машины.
Только с основанием технических школ (Париж, 1794 год; Прага, 1806 год)
начинается процесс упорядочивания и происходит выделение механизмов из рамок
общего учения о машинах (Монж, Карно, Ашетт, Ланс). Сначала вводятся десять, а
позднее – 21 класс механизмов, предназначенных для преобразования движения. У
Борни (1818 год) речь идёт уже о необходимости различать шесть классов основных
частей машины, которые группируются не по принципу преобразования движения, а
по их функциям. Эту идею заимствуют и разрабатывают Кориолис и Понселе. Они
6
различают в машинах три основные части: рецептор, передаточный механизм и ин-
струмент. Их концепция была отвергнута сторонниками быстро распространивше-
гося учения о механизмах (представителем которого был и Ампер) и в дальнейшем
забыта.
Всё сказанное выше о развитии взглядов на машины оказывается неполным,
если не упомянуть в этой связи труды Леонардо да Винчи (1452 – 1519 годы). Уже он
рассматривал элементы и части машин как общие для различных машин элементы и
занимался их исследованием. В своих работах («Мадридский кодекс», части I и II) он
сформулировал два интересных постулата о машинах:
1) книгу о сущности машин должно, прежде всего, писать, как книгу об их при-
менении;
2) механизмы суть рай для математических наук; они оказывают на математику
плодотворное влияние.
Леонардо да Винчи принадлежит к числу гениев, определивших ход развития
науки. Так, лишь в XIX столетии, после создания большого числа различных машин
было проведено систематическое исследование элементов механизмов и машин, что
позволило, основываясь на реальных надёжных конструкциях, вести поиск законо-
мерностей, лежащих в основе этих машин. К тому времени наряду с машинами, при-
менявшимися в военном, горном и водном деле, существовали также прядильные и
ткацкие станки, металлообрабатывающие станки, печатные и подъёмные машины; к
ним вскоре присоединилась паровая машина, затем последовали гидравлический дви-
гатель, электродвигатель, генератор. Важной проблемой, связанной с механикой и
прежде всего с теорией прочности, стало определение оптимальных размеров. Ф.
Рёло (1829 – 1905 годы) видел основу для выявления принципов работы машин в прикладной механике и, в частности, в кинематике.
Именно Рёло в 1874 году в своей работе «Теоретическая кинематика», опираясь
на исследование Редтенбахера (1809 – 1869 годы), предпринял первую попытку со-
здать общую теорию механизмов и машин. Идеи того времени прослеживаются в ра-
ботах Р. Виллиса и П. Л. Чебышева (И. И. Артоболевский). На аналогичном подходе
7
основываются и работы, опубликованные в США. При этом рассматриваются три об-
ласти теории механизмов и машин: синтез механизмов, динамика машин, теория ав-
томатов.
Хотя в Западной Европе подобного учения практически не существует, рас-
смотренные выше концепции так или иначе представлены как в теории, так и в самой
структуре наук. Традиционные элементы учебных планов и структуры наук создают
основу, например, для машиностроения, механики (с теорией прочности), теории де-
талей машин, материаловедения и технологии материалов, организации производ-
ства. Однако общая теория в рассматриваемой области пока ещё не создана.
В этом направлении развивались, естественно, и специальные области, осо-
бенно те, в которых прогресс техники шёл рука об руку с развитием соответствующей
науки, например термодинамика и тепловые машины.
Из практических соображений все вопросы, связанные с планированием, про-
изводством и эксплуатацией, решались отдельно в рамках каждой отрасли. Вслед-
ствие этого возникли обособленные друг от друга сферы знаний и профессий, в кото-
рых всякое профессиональное обучение должно было дополняться многолетним опы-
том. Причина этого заключалась в отсутствии теории и, как следствие, в отсутствии
системы сбора и классификации изобретений и сущности новых технологий.
Такое положение было возможным и приемлемым только на этапе первой тех-
нической революции, когда осуществлялся переход от ручных форм производства к
промышленным, – к машинному веку. Растущее промышленное производство, различные кризисные ситуации (особенно вторая мировая война), сырьевые и экологические проблемы, возникшие в ходе второй технической революции – всё это потре-
бовало разработки новых подходов и теорий. Создание новых технических средств,
наряду с повышением требований, с одной стороны, и новыми способами решения
задач (например, средствами вычислительной техники), с другой, вызывает необхо-
димость пересмотра методов изучения технических систем.
Приходится только удивляться, как мало существует общих сведений о техни-
ческих объектах (инструментах, приборах, машинах), когда проводишь сравнение с
положением, имеющим место в других областях знания, где объекты определённой
8
науки (например, минералы, животные и растения) исследуются и упорядочиваются
в строгих рамках единой сложной системы.
Одно из новых направлений в области теории технических систем возникло по-
сле второй мировой войны первоначально в виде отдельных аспектов общей теории
в рамках нескольких тематически связанных между собой исследований (Вёгербауэр,
Кессельринг), а позднее в более интегрированной форме, что особенно относится к
системотехнике.
С этого времени теория технических систем нашла признание как основа и ис-
точник информации для нескольких смежных областей знания. В частности, теория
конструирования опирается на теорию технических систем.
9
1Основные понятия теории технических систем
1.1Концепция теории технических систем
Подобно тому, как около 500 лет назад нелегко было рассматривать в рамках
единого понятия «художественное произведение» скульптуру и литературные произ-
ведения, и в настоящее время пока трудно найти точное обобщающее определение
для технических средств. Дело не только в различии их форм, функций и степени
сложности, но и в различии принципов их действия, используемых для достижения
требуемых результатов. Хотя многие термины используются в некоторых отраслях
техники уже давно, их содержание определяется в основном интуитивно.
Возможны два подхода к проблеме определения технического средства – «аб-
страктной машины». Первый состоит в перечислении всех элементов, входящих в со-
став машины (например, привод, передаточный механизм, коленчатый вал, втулки,
болты и так далее). Второй подход заключается в поиске нового обобщающего выра-
жения, или термина. В последнем случае основное внимание при описании техниче-
ского средства будет уделяться его системным свойствам. В научно-технической
практике большинство терминов уже стало привычным; однако они используются не
повсеместно, и полемика по терминологическим вопросам не прекращается. В следу-
ющих разделах рассмотренные выше понятия будут определены более точно.
Исходя из понятия системы, мы можем провести разделение систем на классы,
например, как показано на рисунке 1.1, по принципу происхождения систем.
Из этой схемы понятие системы становится яснее, так как в ней отдельные эле-
менты структуры определяются на основании общепринятой классификации обла-
стей знания. Однако наша задача заключается в классификации именно технических
систем.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]