Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ДТП лекція 1.doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
03.12.2018
Размер:
423.94 Кб
Скачать

1.2 Системний опис об’єкта дослідження

Об'єктом наукового дослідження є предмет або явище матеріального світу, які існують незалежно від людської свідомості або їх відображення в людській свідомості. Об'єкт дослідження може бути як матеріальним (атом, теплота, швидкість тощо), так і теоретичним (абсолютно чорне тіло, ідеальний газ, крапка тощо). Матеріальні об'єкти дослідження поділяються на натуральні (природні), що існують у природі, та штучні (технічні), створені цілеспрямовано (рисунок 1.4). Штучні об'єкти поділяються на технічні об'єкти та процеси. Особливістю технічних об'єктів с їх цілеспрямоване створення за певним образом.

Створення єдиної методики сучасної інженерної діяльності як взаємозв'язаних процесів дослідження та проектування технічних об'єктів ґрунтується на використанні системного підходу, що дає змогу розглядати об'єкт дослідження і об'єкт проектування як технічну систему, призначену для виконання заданих функцій і взаємодії зі зовнішнім середовищем.

Система — це єдине ціле, що складається із певним чином зв'язаних між собою елементів. Тобто, якщо між елементами скінченної множини існують певні відношення, то ці елементи утворюють систему. При об'єднанні елементів у систему вона отримує додаткові властивості, які відсутні в окремих елементах. Наприклад, механічна коливна система складається із тіла певної маси і пружного елемента, які мають властивість коливатися з певною власною частотою. Кожен із цих елементів, взятий окремо, неспроможний генерувати коливання.

Рисунок 1.4 – Види об’єктів наукового дослідження

Розглянемо введені для визначення системи поняття.

Множина — це сукупність реальних або уявних об'єктів — елементів множини.

Елемент — це частина системи, яка на певній стадії дослідження не поділяється, При наукових дослідженнях у механіці це може бути тверде тіло, в хімії — атом чи молекула, в ядерній фізиці — елементарні частинки, в біології — клітина тощо. При дослідженнях у логіці елементами логічної системи є поняття, судження тощо. Розрізняють два види технічних систем: технічна система-об'єкт, елементами якої є матеріа­льні тіла, та система-процес, елементами якої є дії. Спільним для обох видів систем є наявність двох типів множин для їх опису: множина елементів та множина зв'язків між елементами.

При системному описі об'єкта використовуються поняття структу­ри та функції. Структуризація системи полягає у вирізненні в ній цих двох множин.

Структура системи S характеризує її внутрішню організацію. Вона описується множиною елементів системи Е = {є 1, е2, еЗ,...} та множиною відношень між ними К = { гі, г2, гЗ, ...}, тобто

S={Е,К}.

Функція системи, або поведінка системи, визначається як послідовність у часі її станів. Стан системи — це сукупність значень властивостей системи в певний момент часу. Штучна, або технічна, система має певне призначення, що визначається метою її створення. Мета створення технічної системи повинна забезпечити її задану поведінку, або функцію. Тому технічна функція штучної системи визначається її цілеспрямованою поведінкою. Процес тривалої реалізації технічною системою власної функції називається функціонуванням.

Взаємозв'язок між функцією та структурою системи є одним із найважливіших елементів загальної теорії систем. Він декларується такими постулатами.

  1. Функція системи однозначно задається її структурою, бо одна структура може реалізувати тільки одну функцію.

  2. Функція не визначає структуру системи однозначно, бо одна й та ж функція може бути реалізована різними структурами.

Стан системи може бути визначений вектором, компонентами якого є окремі властивості системи. Властивості системи характеризуються її параметрами, під якими розуміють будь-яку характеристику системи, що становить інтерес для дослідника і піддається спостереженню або вимірюванню. Поняття стану системи пов'язане, своєю чергою, з її взаємодією із зовнішнім середовищем.

Зовнішнє середовище включає все, що не належить до системи. Кожен об'єкт дослідження оточує зовнішнє середовище, з яким він взає­модіє, зазнаючи впливу теоретично необмеженої кількості різних дій. Навіть виділення об'єкта із зовнішнього середовища для дослідження вже змінює його. При виділенні об'єкта для дослідження врахувати всі ці впливи неможливо (рисунок 1.5). Тому чим більша їх кількість врахована, тим точнішим буде результат дослідження. В реальних дослідженнях обмежуються врахуванням впливу зовнішніх систем, у яких хоча б один елемент взаємодіє через вхід-вихід із системою, що вивчається. При цьому дослідник не обов'язково бере до уваги всі знайдені ним впливи, досить врахувати лише суттєві.

Рисунок. 1.5 - Об'єкт дослідження як система

До основних правил вивчення системних об'єктів, які визначаються загальною теорією систем, можна віднести такі:

  1. Правило цілісності: властивості системи перевищують суму властивостей її елементів, тобто сумуванням властивостей елементів не отримується властивість системи.

  2. Правило структурності: технічна система однозначно описується її структурою, тобто переліком елементів та зв'язків між ними.

  3. Правило взаємозв'язку системи і середовища: технічна система виявляє свої властивості у взаємодії із зовнішнім середовищем.

  4. Правило ієрархічності: кожний елемент системи можна розглядати як систему, а систему — як елемент більшої системи (завод-цех-потокова лінія-верстат-механізм-вузол-деталь-конструктивний елемент-поверхня).

5. Правило множинності описів: для повного опису складних технічних систем необхідно побудувати багато різних моделей, кожна з яких описує лише один бік технічної системи.

Системне представлення об'єкта дослідження та проектування дає змогу здійснити його класифікацію за такими ознаками:

за виникненням — природний або штучний (технічний) об'єкти;

за видом елементів — штучний об'єкт, коли елементами є матеріа­льні тіла, або процес, коли елементами є функції чи дії: явища (для природних об'єктів) або операції (для технічних об'єктів);

за складністю структури — прості (декілька елементів), середньої складності, складні та дуже складні об'єкти;

за характером зміни станів — статичний, коли стан із часом не змінюється, та динамічний, коли стан об'єкта із часом змінюється;

за характером функціонування — неперервні, функціонування яких не переривається, та дискретні, функціонування яких складається із багаторазового повторення його функції;

за ступенем впливу збурень — детерміновані та стохастичні.

Реальні технічні системи діють в умовах випадкових збурень, джерелами яких є як впливи зовнішнього середовища, так і відхилення різних характеристик технічної системи. Сукупність усіх параметрів зовнішнього середовища, які діють на технічну систему, поділяється на групи залежно від їх впливу на функціонування технічної системи: вхідні параметри, які описують дію зовнішнього середовища на технічну систему, задаються множиною Х. Вихід — це дія системи на зовнішнє середовище. Сукупність усіх вихідних параметрів утворює множину У.

Рисунок 1.6 – Параметри, що описують стан технологічної системи

Стан об'єкта дослідження може бути описаний множинами параметрів, у яких виділимо такі підмножини (рисунок 1.6):

вхідні параметри, або фактори АГ, які характеризують вплив зовнішнього середовища на системний об'єкт дослідження, які розбиваються на три підмножини, а саме:

X1 — керовані й вимірювані величини, значення яких при дослідженні можна задати й кількісно визначити, наприклад, температура і час нагрівання зразка, швидкість переміщення, швидкість різання при механічній обробці. При проектуванні та оптимізації технічної системи вони називаються також елементами рішення;

Х2 — не керовані, але вимірювані величини, або обмежувальні вхідні величини, значення яких можна виміряти, але не можна задати. Це, наприклад, величина припуску на заготовці, питома вага матеріалу, його теплопровідність, концентрація домішок у вихідних матеріалах. При проектуванні та оптимізації технічної системи до них належать умови розподілу ресурсів та економічні критерії;

Х3 — збурювальні величини, які впливають на процес функціонування, однак не можуть бути ні виміряні, ні цілеспрямовано змінені, наприклад, зношування з'єднань в обладнанні, його старіння, вібрації, зміщення налагоджених режимів;

вихідні параметри, що характеризують реакцію системи на зовніш­ні впливи, які утворюють вектор Y;

внутрішні параметри об'єкта , які описують елементи системи Е та зв'язки між ними.

Розподіл зовнішніх впливів на суттєві та несуттєві є відносним, він залежить від досвідченості виконавця та мети дослідження.

Наприклад, досліджуючи вільне падіння тіл, Галілео Галілей вважав опір повітря несуттєвим впливом, тоді як при дослідженні руху швидкісного літака чи ракети опір повітря вже не може належати до несуттєвих впливів.

Урахування суттєвих впливів має визначальне для вірогідності ре­зультатів дослідження значення. Якщо якийсь із суттєвих впливів не буде врахований, то результати дослідження можуть бути неповними або просто помилковими. Процес урахування суттєвих впливів значно спрощується, якщо дослідження базується на добре розробленій теорії. Якщо ж такої теорії немає, то використовуються гіпотези, догадки, ідеї.

Таким чином, чим повніше враховано при дослідженні вплив зовні­шнього середовища на об'єкт дослідження, тим вища якість наукового дослідження.

Побудова моделі без вивчення структури об’єкта (об’єкт – “чорна скринька”)

У цьому випадку при моделюванні не беруться до уваги внутрішні параметри. Математична модель описує зв'язок між зовнішніми параметрами:

Якщо дія зовнішнього середовища на технічний об'єкт, наприклад, описується вектором X, що складається із трьох факторів х1, х2, х3, а результат цієї дії визначиться вектором-показником, то мо­дель матиме такий вигляд:

Розв'язання цієї системи рівнянь дає змогу перейти до складових простих моделей, що описують технічний об'єкт:

Для компактності застосовується форма запису у вигляді матриці

де матричні елементи залежності мають такий вигляд:

Така модель не описує внутрішню структуру технічного об'єкта, тому вона використовується для опису елементів структури.