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
ные механизмы, свойственные строго целевым системам. Процесс поведения самоор-
ганизующихся систем характеризуется множеством локально-устойчивых целевых
состояний, которые заранее неопределимы. Конечно, в этих системах также присут-
ствуют механизмы адаптации, но сфера их проявления существенно ограничена об-
ластями локальной устойчивости.
Таким образом, для самоорганизующихся систем понятие цели поведения при-
обретает несколько иной и более широкий смысл – это перманентный, никогда не
прекращающийся процесс формирования множества локальных устойчивых состоя-
ний в соответствии с внутренними потребностями развития системы с учетом внеш-
них ограничивающих факторов. Последнюю часть этого утверждения следует пони-
мать в том смысле, что самоорганизующиеся системы так же, как и все другие, управ-
ляемы извне. Однако это управление не носит характера внешнего (принуждающего)
задания цели, а реализуется в виде временных, пространственных, ресурсных и иных
ограничений.
Возникает естественный вопрос: что заставляет такие системы менять время от
времени свои устойчивые состояния, изыскивать новые устойчивые состояния и
снова их покидать? Ответ на этот очень важный вопрос далеко не очевиден и заслу-
живает отдельного рассмотрения. Здесь же ограничимся следующим. Во-первых, пе-
реходы системы из одного устойчивого состояния в другое обусловливаются внеш-
ними воздействиями, навязывающими ей структуру и функционирование целевыми
или ограничительными способами. Во-вторых, смена состояний происходит под дей-
ствием внутренних и внешних флуктуаций случайного характера, которые хотя и не
задают цель развития системы, но влияют на траекторию ее движения, отклоняя ее в
ту или иную сторону. При определенных условиях флуктуации могут инициировать
развитие системных процессов, ведущих к неустойчивости. В-третьих, основным ис-
точником самодвижения выступает конфликтность, имманентно присущая всем си-
стемным образованиям, которая может порождать системные кризисы, уводящие си-
стему из равновесного состояния и в то же время приводящие ее к некоторому новому
71
равновесию. Совместное действие конфликтности, случайных флуктуаций и внеш-
них сил обусловливают сложное, слабопредсказуемое поведение самоорганизую-
щихся систем.
3.6 Внутреннее время технической системы
Функционирование любой системы связано естественным образом с катего-
рией времени. Время – сравнительная, количественно измеряемая характеристика
длительности протекания процессов в изменяющейся материальной системе, распо-
ложенной в пространстве. В ряде случаев принято обозначать время как физическую
величину, но следует понимать, что это обозначение в значительной мере условно,
так как сведения о чем-либо не являются физическим объектом и в силу чего не могут
являться физической величиной. Никаких формальных оснований зачислять время в
величины - нет. Следует упомянуть, что величина – предметное количественное вы-
ражение реальной, существующей в природе физической сущности (явления, объ-
екта).
Категория времени приобретает в современной теории особую значимость, а
потому заслуживает детального рассмотрения. Начиная с глубокой древности, обы-
денное представление о времени (его понимание на уровне здравого смысла) основы-
вается на семи аксиомах: абсолютности, единственности, инвариантности, неразрыв-
ности, гомогенности, необратимости и бесструктурности. Согласно аксиоме абсолют-
ности все сущее так или иначе связано со временем, а само время ни с чем не связано
и представляет собой форму бытия материальных объектов. Другими словами, не мо-
жет быть такого положения, чтобы время отсутствовало: все, что приходит, то и ухо-
дит, не преходящи только пространство и время. В соответствии с аксиомой един-
ственности считается, что в мире существует одна ось времени, и все объекты, неза-
висимо от их природы, живут в этом едином времени. Аксиомой инвариантности от-
ражается тот повсеместно наблюдаемый факт, что ход времени не зависит от состоя-
ния объектов. Время инвариантно по отношению к совершающимся событиям, про-
72
исходящим явлениям и протекающим процессам. Аксиома неразрывности постули-
рует отсутствие на оси времени точек разрыва. Любой сколь угодно малый временной
интервал может быть разбит на ещё более малые интервалы, а эти интервалы – на еще
меньшие, и так до бесконечности. Согласно аксиоме гомогенности считается, что
время «течет» равномерно, не замедляясь и не ускоряясь. Поэтому временная ось раз-
бивается на строго одинаковые отрезки (единицы времени), привязанные к каким-
либо регулярно повторяющимся событиям. Например, к колебаниям маятника, обра-
щениям Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца и тому подобное. Аксиома необ-
ратимости утверждает, что ось времени представляет собой вектор, направленный от
прошлого к настоящему и в будущее. Возврат в прошлое –невозможен, время не «те-
чёт» вспять. Образно говоря, колесо истории крутится в одну сторону. Аксиома бес-
структурности постулирует, что время не расчленяется на какие бы то ни было части
и не составляется из них.
Изучая различные явления, учёные всегда интуитивно предугадывали, что мно-
гим системам живой и неживой природы присуще какое-то свое внутреннее время.
Это время, с одной стороны, связано с частотой событий, происходящих в системе, а
с другой – само влияет на развитие событий. Первоначально понятие внутреннего
времени было введено в биологии (биологическое время). Так, Луи дю Нуйи связывал
биологическое время с влиянием возраста организма на скорость его биологического
роста и на период залечивания ран. Он пришел к выводу, что биологическое время не
гомогенно, а подчиняется аллометрическому закону: чем больше возраст организма,
тем быстрее «течёт» его внутреннее время. Другими словами, с возрастом ускоряется
биологическое время – один год, равный одной пятой возраста пятилетнего ребенка,
проживается в десять раз дольше одного года, равного одной пятидесятой возраста
50-летнего человека. Аналогично этому,
Г. Бакман вводит биологическое время как логарифмическую функцию астрономического времени:
где Т– биологическое время;
T = C1logt + C2,
73
t–астрономическое время;
C
и С
– константы.
1
2
Таким образом, согласно Бакману, биологическое время больше всего растяги-
вается в начале жизни организма, когда в нем происходит больше всего изменений.
Последующие исследования показали, что биологическое время действительно
существует как физическая реальность, связанная не столько с астрономическим вре-
менем, сколько с биологическими ритмами, свойственными всем живым организмам
(в том числе и человеку). Кроме того, оно не подчиняется какому-либо определенному закону, а формируется индивидуально в результате «сложения» частных био-
ритмов компонентов организма (белковых молекул, клеток, органов) и зависит от ха-
рактера их информационного взаимодействия со средой.
Внутренние биологические циклы свойственны не только отдельным организ-
мам, но и их популяциям, а также биосфере в целом.
Понятие внутреннего времени вошло естественным образом при создании ими-
тационных математических моделей крупномасштабных процессов иерархического
типа (например, войсковых операций). В этих моделях для адекватного отображения
изучаемых процессов приходится менять временной шаг моделирования: чем выше
иерархический уровень моделируемого объекта, тем большим должен выбираться
шаг моделирования и, наоборот, с понижением уровня иерархии необходимо сокра-
щать временной шаг модели. При этом разница в размере шага может составлять не-
сколько порядков (от долей секунды для радиоэлектронных процессов до нескольких
суток для боевых операций, связанных с пространственным перемещением войск),
что практически исключает использование в модели единого временного шага,
например, минимального. Следовательно, мы имеем дело уже не с единой, а с иерар-
хической временной осью, в которой внутреннее время приобретает черты структур-
ности.
Еще более существенная трансформация взглядов на временную аксиоматику
произошла в связи с попытками построения компьютерных моделей, имитирующих
самоорганизующиеся процессы. Оказалось, что адекватно имитировать такие про-
74
цессы возможно только в том случае, если предположить, что шаг моделирования за-
висит от структуры математического описания процесса, а сама математическая
структура зависит от шага моделирования. При этом речь идет не только об абсолют-
ной величине шага моделирования, но и о его положении относительно начальной
точки моделирования. Это свидетельствует о том, что в самоорганизующихся систе-
мах время не только теряет гомогенность и инвариантность, но приобретает новое
качество – становится оператором преобразования будущего состояния системы и ее
текущего состояния.
Таким образом, время рассматривается как естественная характеристика си-
стемы, несущая в себе тройственный смысл. Во-первых, время играет роль координа-
тора, обеспечивающего за счет введения единой событийной метрики функциониро-
вание данной системы в масштабе надсистемы. Это – договорное, астрономическое
время. Во-вторых, время выступает физическим параметром, отражающим частоты
происходящих в системе событий, их взаимную корреляцию и изменения под давле-
нием внешних и внутренних обстоятельств. Такое, персонифицированное для каждой
системы время, – это внутреннее время-параметр, согласовывающее функционирование ее компонентов. В-третьих, время рассматривается как оператор преобразования,
образно говоря, – некое устройство в составе системы, воспринимающее сигналы из
будущего и преобразующее их в управляющие воздействия, изменяющие текущее со-
стояние системы. Это – внутреннее время-оператор, играющее важную роль в понимании механизмов самоорганизации систем.
3.7 Вопросы для самоконтроля
1) Что такое функции технической системы?
2) Что такое эффективность технической системы?
3) Что такое состав технической системы?
4) Что такое иерархия технической системы?
5) Что такое морфология технической системы?
6) Что такое структура технической системы?
75
7) Что такое объемные, плоские, рассредоточенные и сосредоточенные
структуры?
8) Что такое экстенсивные, интенсивные, редуцирующие и деградирующие
структуры?
9) Что такое предметные, функциональные, организационные и временные
структуры?
10) Что такое вещественные, энергетические и информационные структуры?
11) Что такое состояние и поведение технической системы?
12) Что такое понятие внутреннего времени системы?
76
4 Надёжность технических систем
4.1 Определение надёжности технической системы
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных преде-
лах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые
функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания,
хранения и транспортирования.
В данном определении имеются следующие особенности. Во-первых,
подчеркнута непрерывность выполнения объектом заданных функций. В этом
аспекте нет смысла говорить о надежности объекта, например, во время проведения
на нем планово-предупредительных работ, ремонтов, замены оборудования,
освидетельствований и других мероприятий, связанных с остановом системы. Ибо в
это время объект не выполняет своих функций, например, не выдает электроэнергию
и промышленное тепло, не перевозит грузы и пассажиров и так далее.
Во-вторых, в определение надежности включено понятие «установленные
пределы». Сложная система при отказе отдельных элементов или подсистем
сохраняет свою работоспособность и может обеспечивать своих потребителей,
например, энергией, но в меньшем количестве.
В-третьих, надежность объекта целесообразно находить за определенные
промежутки времени, например, между перегрузками топлива, за время работы на
заданном уровне мощности, за время до прекращения эксплуатации и другие.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от
назначения объекта и условий его применения может включать безотказность,
долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания
этих свойств.
Для объектов, работающих непрерывно, таких, например, как энергоблок
электрической станции, обзорный локатор аэродрома, магистральные нефте- и
газопроводы, из этих свойств наиболее важны три первые. Объекты, работающие
сезонно, напротив, должны кроме приемлемой безотказности иметь высшие
77
показателиремонтопригодности, долговечности и сохраняемости
(сельскохозяйственная техника).
4.2 Безотказность технической системы
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное
состояние в течение некоторого времени или наработки.
Обычно безотказность рассматривается применительно к режиму эксплуатации
объекта. При оценке безотказности объекта перерывы в его работе (плановые и вне-
плановые) не учитываются. Безотказность характеризуется техническим состоянием
объекта: исправностью, неисправностью, работоспособностью, неработоспособно-
стью, дефектом, повреждением и отказом. Каждое из этих состояний характеризуется
совокупностью значений параметров, описывающих состояние объекта, и качествен-
ных признаков. Номенклатура этих параметров и признаков, а также пределы допу-
стимых их изменений устанавливаются нормативной документацией на объект.
Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем
требованиям нормативно-технической и конструкторской документации (НТКД).
Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует
хотя бы одному из требований нормативно-технической и конструкторской документации (НТКД).
Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех
параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответ-
ствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации(НТКД).
Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение
хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные
функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и конструкторской
документации (НТКД).
Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния
объекта при сохранении работоспособного состояния.
78
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния
объекта.
Дефект – каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.
Границы между исправным и неисправным, между работоспособным и нерабо-
тоспособным состояниями обычно условны и представляют собой, в основном, сово-
купность определенных значений параметров объектов. Эти значения одновременно
являются границами соответствующих допусков. Работоспособность и неработоспо-
собность могут быть как полными, так и частичными. Если объект полностью рабо-
тоспособен, то в определенных условиях эксплуатации возможно достижение макси-
мальной эффективности его применения. Эффективность применения в тех же усло-
виях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значе-
ния ее показателей еще находятся в пределах, установленных для такого функциони-
рования, которое считается нормальным для данного объекта.
Работоспособность должна рассматриваться применительно к определенным
внешним условиям эксплуатации объекта. Элемент, работоспособный в одних усло-
виях, может, оставаясь исправным, оказаться неработоспособным в других.
Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь
тем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, выпол-
нение которых обеспечивает нормальное его применение по назначению. Очевидно,
что работоспособный элемент может быть неисправным, например, не удовлетворя-
ющим эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида не препятствует
его применению по назначению. Переход элемента из исправного в неисправное со-
стояние происходит вследствие дефектов. Термин «дефект» применяют, в основном,
на этапах изготовления и ремонта. В этих случаях требуется учитывать отдельно каж-
дое конкретное несоответствие объекта требованиям, установленным нормативной
документацией. Термин «неисправность» применяется при эксплуатации объектов,
когда требуется учитывать изменения технического состояния элементов, независимо
от числа обнаруженных дефектов. Находясь в неисправном состоянии, объект имеет
один или несколько определенных дефектов.
79
4.3 Ремонтопригодность технической системы
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленно-
сти к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем техниче-
ского обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность представляет собой совокупность технологичности при
техническом обслуживании и ремонтной технологичности объектов. Свойство ре-
монтопригодности полностью определяется его конструкцией, то есть предусматри-
вается и обеспечивается при разработке, изготовлении и монтаже объектов, с учетом
будущего целесообразного уровня их восстановления, который определяется соотно-
шением ремонтопригодности и внешних условий для выполнения ремонта, в том
числе устанавливаемых для этого пределов соответствующих затрат. Отсюда проис-
ходит относительность деления объектов на восстанавливаемые и невосстанавливае-
мые применительно к определенным внешним условиям (точнее, на подлежащие и не
подлежащие восстановлению). Один и тот же элемент в зависимости от окружающих
условий и этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосста-
навливаемым. Например, доступность для выполнения ремонта ряда элементов ак-
тивной зоны и внутриреакторных элементов корпусных ядерных реакторов во время
работы практически ограничена, эти элементы при работе реактора на мощности от-
носят к невосстанавливаемым. То же самое можно сказать и относительно ряда эле-
ментов теплообменников и парогенераторов реакторов, элементов главных циркуля-
ционных насосов (ГЦН).
Для многих объектов свойство восстанавливаемости целесообразно рассматри-
вать однозначно (безусловно) на всем периоде их существования. Например, эле-
менты ядерных энергоустановок (ЯЭУ) типа труб парогенераторов (ПГ) в случае их
прожога, тепловыделяющие элементы (ТВЭлы) при разгерметизации, кинескопы дис-
плейных модулей рабочих мест операторов-технологов (РМОТ) в автоматизирован-
ных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) ЯЭУ и другие
практически всегда относятся к невосстанавливаемым объектам, а корпус ядерного
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]