Тема №2: «Основні поняття теорії технічних систем»

Мета: вивчення основних понять, визначень і позначень, які використовуються в теорії технічних систем.

План

2.1. Концепція сучасного розуміння теорії технічних систем

2.2. Визначення в теорії технічних систем

2.3. Позначення в теорії технічних систем

 

2.1. Концепція сучасного розуміння теорії технічних систем

Мета теорії технічних систем. Мета теорії полягає в тому, щоб привести наявні знання з об’єкта теорії - технічних систем - в єдиний комплекс понять, визначень і положень, Ґрунтуючись на єстві і закономірностях структури, створення і використання технічних систем, а не на окремих емпіричних даних, що відносяться до цих систем.

Структура теорії технічних систем. Структура теорії повинна містити . основні положення, що визначені більш детально в рамках цієї теорії, такі як:

1) система понять;

2) система перетворень;

3) технічний процес як елемент системи перетворень;

4) технічна система як елемент системи перетворень;

5) призначення TS;

6) структура TS:

7) властивості TS;

8) створення і використання TS;

9) еволюція TS;

Види теорії технічних систем. Відповідно до галузі використання розрізняють:

- загальну теорію технічних систем, яка справедлива для всіх технічних, у тому числі і машинних систем;

- спеціальні теорії, які конкретизують загальну теорію для окремих класів, типів або видів технічних систем.

Структура спеціальної теорії також може бути ієрархічною (наприклад, теорія гірничих машин, теорія гірничих машин для підземних розробок, теорія вугільних комбайнів). Особливе положення займають спеціальні теорії, які використовують для декількох галузей техніки, наприклад теорія механізмів, теорія деталей машин і т.д. Взаємозв'язок теорії з іншими дисциплінами. Теорія технічних систем ґрунтується на цілому ряді наукових дисциплін, кількість яких зростає шляхом включення в неї нових систем і встановлення вимог до них. Разом з такими класичними науками, як фізика (зі всіма її напрямами) і хімія, у більшій мірі залучаються до розгляду біологія і такі дисципліни, як теорія систем, економіка, ергономіка, логіка.

Із другого боку, теорія технічних систем утворює деякі рамки і вводить певний порядок в багато інженерних дисциплін, пов’язаних з конструюванням, виготовленням, випробуваннями, збутом, зберіганням, транспортуванням, введенням в дію або ліквідацією технічних систем. В цих інженерних дисциплінах положення загальної теорії технічних систем у тому або іншому значенні «деталізують».

Розглянемо деякі приклади. Наука про опір матеріалів досліджує зв'язки між міцністю технічної системи з одного боку, і геометричними характеристиками, властивостями матеріалу і навантаженнями технічної системи, з іншого; аналогічно надійність, термін служби, технологія виготовлення у відповідних теоріях ґрунтуються на деяких спеціальних положеннях загальної теорії. В теорії гідравліки і гідроприводу розглядається рух рідин як частини технічної системи, ця теорія також є спеціальною теорією технічних систем.

Використання теорії технічних систем. Окрім практичного використання, теорія технічних систем має також пізнавальне значення. Теорія технічних систем важлива для створення загальної картини в галузі техніки і сприяє вдосконаленню інженерних наук, де вона виступає як узагальнююча теорія.

Доцільність вживання теорії технічних систем щодо створення нових технічних систем відображена в наступних пунктах [1]:

- теорія виявляє закономірності, справедливі для всіх об’єктів техніки.

- Вона сприяє перенесенню професійного досвіду з однієї галузі в інші завдяки можливості перенесення системних категорій (використання гомоморфізму об’єктів техніки);

- об’єднання всіх об'єктів техніки в клас «технічні системи» дозволяє розробити підхід до інженерної діяльності, не пов’язаний з конкретним об’єктом техніки і прийнятний у всіх спеціальних галузях. У рамках цього підходу можна вивчати і розробляти методи конструювання технічних систем узагалі і систем певного класу зокрема:

- у результаті роботи з абстрактними поняттями інженер може застосовувати наукові методи там, де сили уяви і досвіду недостатньо. Тим самим створюються умови для того, щоб відійти від застарілих традицій і шаблонів;

- теорія технічних систем дозволяє трактувати будь-яку технічну проблему цілісно, з позицій системного підходу. Такий підхід є передумовою ефективного конструювання і успішного виконання інших інженерних робіт;

- використання кібернетики і її понять дозволяє поліпшити зв’язки інженерів з ученими. Крім того, при цьому полегшується формалізація деяких операцій у процесі конструювання, оскільки розширення вживання обчислювальних пристроїв вимагає побудови алгоритмів логічних операцій. Таким чином, теорія технічних систем пов’язана з розвитком автоматизованого проектування;

- формування класів технічних систем, заснованих на аналогічності відносин, дає інженеру базу для виявлення максимальної кількості способів реалізації певної функції або певного відношення. Тим самим створюються передумови для того, щоб із безлічі можливих рішень вибрати якнайкраще.

Практичною формою подання такої інформації е створення каталогу конструкцій. 

Теорія технічних систем дає в руки інженерам підхід, що орієнтує на кінцеву мету і дозволяє бачити взаємозв'язки, розуміти і застосовувати цілісність як принцип, а також розпізнавати в різних технічних об’єктах істотні аналогії і відносини.

 

2.2. Визначення в теорії технічних систем

Звичайно для виразу своїх думок люди користуються інтуїтивно вибраними словами і словосполученнями розмовної мови. Проте інтуїтивний підхід для побудови термінології наукової дисципліни неприйнятний, так що доводиться встановлювати межі застосування і точне значення кожного слова або виразу в рамках даної наукової або спеціальної області [6].

Система - сукупність, утворена з кінцевої множини елементів, упорядкованих за певними правилами. При цьому між елементами системи існують певні відносини. Можливі також системи, що включають ізольовані елементи (або групи елементів), які не мають відносин з іншими елементами системи.

Елемент і система є відносними поняттями. Елемент може одночасно бути системою менших елементів, а система у свою чергу може бути елементом деякої більшої системи. Наприклад, деяка машина - де система, утворена своїми елементами, і в той же час ця ж машина може бути елементом деякого підприємства. Система може бути розділена на підсистеми різної складності. Таким чином, система може вивчатися з різних точок зору, залежних не тільки від специфіки системи, але і від можливостей органів чуття або технічних засобів. Так, наприклад, при конструюванні технічних систем не випадку є деталі машин, кожна з яких у свою чергу може розглядатися як сукупність (система) геометричних тіл більш простої форми. Об’єктом розгляду для конструктора є машини. Поняття «система» знаходиться в одному ряду з такими поняттями, як призначення, поведінка, структура, оточення, вхід, вихід, властивість, стан.

Призначення системи. Усяка штучна система має певне призначення, яке може бути описане системою цілей. Мета - це деяке (можливо, уявне) положення справ, здійснення якого прагнуть. У свою чергу система цілей може бути визначена як безліч цілей і відносин між ними.

Функціонування системи. Функціонування (поведінка) системи може бути визначено як безліч послідовних в часі станів системи.

Структура системи. Структура - характеризує внутрішню організацію (сукупність елементів і відносин між ними), порядок і побудову системи. Якщо Е = (е1,е2,...,еп) є безліч елементів, a R= (r1,r2,...,rn) - безліч відносин, то структура Str = (E,R) є множиною, що складається з Е і R. Один і той же об’єкт може бути визначений декількома системами і, отже, декількома структурами. Так, наприклад, для вугільного комбайна можна визначити електричну систему (структуру електродвигунів, датчиків, реле і зв’язків між ними), механічну систему, гідравлічну систему (структуру насосів, двигунів, клапанів і зв’язків між ними), систему подачі, систему зрошування.

Оточення системи. Оточення (навколишнє середовище Umg) системи теоретично включає всі елементи, які не входять у дану систему.

Практично обмежимося оточенням, що складається з систем, які включають хоча б один елемент, вихід якого є в той же час входом деякого елемента системи, або елемент, вхід якого є одночасно виходом деякого елемента системи. Таке «безпосереднє» оточення називатиметься реальним оточенням. Повне оточення системи включає такі складові частини: геосфера, атмосфера, біосфера (включаючи людей), техносфера і астросфера.

Вхід і вихід системи. Вхід (In) - це зовнішнє відношення навколишнє середовище —> система. Вхідна величина може бути залежно від виду системи дією, зв’язком (відношенням) або параметром стану об’єкта дії. Сукупність усіх входів складає узагальнений вхід (який може бути поданий як вектор окремих входів).

Вихід (Ои) представляє зовнішнє відношення система — навколишнє середовище. Вихідна величина може бути залежно від виду системи дією, зв’язком або параметром стану. Сукупність усіх виходів може бути зведена до узагальненого виходу (вектора виходу). Вихід системи являє собою безліч виходів всіх елементів системи. Вхідна і вихідна величини є єдиними зв'язками системи з навколишнім середовищем. Входи і виходи системи включають усі види зв’язків з навколишнім середовищем: бажані і небажані (перешкоди), зв’язки матеріального (S), енергетичного (Еn) і інформаційного (I) характеру.

Властивості системи і їх оцінки. Кожна система, її елементи і  відносини мають властивості, притаманні цій системі і точно її визначаючими. Такими властивостями можуть бути такі параметри: розміри, маса, швидкість, форма, стабільність, а також технологічність, транспортабельність і особливо здатність що-небудь виробляти, тобто функціональність. Властивістю є всяка істотна ознака об’єкта. Об’єктів без властивостей не існує. Проте ступінь втілення цих властивостей може бути різним. Наприклад, однією з властивостей машин є довжина. Якщо довжина редуктора — 780 мм, то можна сказати, що міра  цієї властивості (довжини) для вказаного комбайна відповідає 780 мм (при використанні міліметра як одиниці вимірювання).

Для сукупної характеристики об'єкта, наприклад при його оцінці, вибирають істотні властивості цього об'єкта. У цих випадках говорять про приватну, узагальнену і сукупну оцінку.

Стан системи. Сукупність значень властивостей системи в певний момент часу називається станом системи. Аналогічно якості стан системи можна визначити вектором, що має в якості компонентів окремі властивості. При визначенні загальної якості або стану абстрагуються від більшої частини неістотних властивостей, що не викликають інтересу. Два стани системи можуть бути однаковими або різними. Відмінність між станами називається їх різницею. Різниця виникає під час переходу системи з одного стану в інший. Різниця може бути диференціальною, при цьому має місце безперервний перехід до наступного стану, або дискретною.

Модель системи. Модель, подана на рис. 2.1, наочно ілюструє приведені вище визначення і їх взаємозв'язки для будь-якої існуючої системи [7].

 

Рис.2.1. Модель абстрактної системи

 

Типи систем. Використовуючи різні критерії, можна встановити велику кількість типів систем. Системи можна класифікувати таким чином (для зручності розуміння приведені приклади даних систем) [8]:

а) за положенням системи в ієрархії:

- надсистема, система, підсистема; («редуктор» є самостійною технічною системою, у свою чергу «вал» є підсистемою для системи «редуктор» - у цьому випадку «редуктор» є надсистемою, при цьому система «редуктор» є підсистемою для системи «механізований комплекс»);

б) за зв’язками з оточенням:

- відкриті (з певним оточенням, тобто принаймні з одним входом або виходом); («редуктор» є відкритою технічною системою відносно до систем мастило, енергія, механізоване кріплення і т.д.);

- замкнуті (без зв’язків з оточенням); («редуктор» є замкнутою технічною системою відносно до систем сонячне світло, атмосферні опади);

в) за зміною стану:

- динамічні (стан змінюється в часі); («стрічковий конвеєр», «локомотив» під час роботи);

- статичні (стан не змінюється в часі); («стрічковий конвеєр», «локомотив» в неробочому стані);

г) за характером функціонування:

- детерміновані (залежно від стану системи можна однозначно судити про її функціонування); (за вібрацією корпусу «електродвигуна» можна стверджувати що ротор обертається, за нагрівом «електропроводу» можна судити про проходження через нього електричного струму);

- стохастичні (можна тільки виказувати припущення щодо різних можливих варіантів функціонування); (за вібрацією трубопроводу можна встановити наявність течії рідини в ньому, але напрямок її встановити неможливо);

д) за типом елементів.:

- конкретні (елементами є реальні об’єкти); («редуктор», «механізоване кріплення», «ківш»)

- абстрактні (елементами є абстрактні об'єкти); (енергооснащеність, умовна одиниця);

е) за походженням системи:

- природні (створені природою); («вугільний пласт», «дерево», «скеля»);

- штучні (створені людьми); («залізниця», «перфоратор», «бункер»);

ж) за характером залежності виходів:

- комбінаторні (вихід залежить тільки від входу); (частота обертання тихохідного вала «редуктора», при постійному передавальному числі, залежить тільки від частоти обертання швидкохідного вала);

- секвентивні (вихід залежить від входу і інших величин);

(потужність «крана» залежить від споживаної потужності електродвигунів і втрат потужності в передавальних механізмах);

з) за ступенем складності структури:

- прості предмети (одноелементні TS); («болт», «шайба», «зубило»);

- оброблені предмети (TS з властивостями, що змінюються, при різного роду обробках); (нікельована «деталь», «керамічний конденсатор»);

- складні предмети (TS із жорстко сполучених одноелементних TS); («болтове з’єднання», «тканина», «цегляна стіна»);

- прості системи (TS з числом елементів 101...103 і певною, детермінованою їх взаємодією); («редуктор», «електродвигун», «гідродомкрат»);

- складні системи (TS з числом елементів 104...107 і вище, і певною масовою або випадковою їх взаємодією); («збагачувальна фабрика», «роторний екскаватор», «система вентилювання»);

- системи, що перетворюються (TS системи з кількістю елементів 108...1030, здібні до зростання, розвитку, самоорганізації); («гірничо-збагачувальний комбінат», «держава Україна», «металургійний комбінат»);

- парадоксальні системи (об’ємні і складні системи з числом елементів 1030...10200, здатні керувати простором і часом і змінювати космічні, форми свого буття); («всесвіт»);

й) за видом елементів:

- системи типу «об’єкт» (елементами системи е предмети); (будинок, двигун, машина);

- системи типу «процес» (елементами системи є операції); (транспортування, обертання, виготовлення).

Типи задач. В теорії технічних систем розглядаються три характерні типи задач [1].

Задача синтезу - задані характер функціонування і інші вимоги до системи. Необхідно визначити структуру, яка задовольняє поставленим вимогам.

Задача аналізу - задана структура, функціонування системи.

Задача «чорного ящика» - задані система, структура якої невідома або відома частково, визначити її функціонування символічне представлення систем. Символічно систему зображають у вигляді чотирикутника, круга або їх комбінацій, використовуючи для систем типу «об’єкт» (TS) і систем типу «процес» (Р) різні символи (рис. 2.2). Система типу «об'єкт» не вимагає особливих пояснень, тому ми зупинимося більш детально на системах типу «процес».

Рис. 2.2. Графічне зображення різних типів систем

 

Система типу «процес». Термін «процес» означає, що щось відбувається, протікає, тобто змінюється з часом. У природі нескінченно що-небудь відбувається. Ростуть рослини, нагромаджуються осадові породи, випадають атмосферні опади. Змінам свого стану схильні такі, уявні стабільними, системи як гори, материки.

Разом з природними процесами, що відбуваються на Землі, людина, для задоволення своїх зростаючих потреб організовує штучні процеси, у ході яких здійснюються необхідні і бажані для неї зміни початкових систем. Хоча людина і підпорядковується законам природи, все ж таки вона може прискорити, підсилити або поліпшити деякі природні процеси або їх властивості. Можливість цілеспрямованої зміни властивостей об’єктів має для людей величезне значення. Штучні процеси, у яких ті або інші властивості змінної системи зазнають відповідних змін, за участю людей і (або) технічних систем, унаслідок чого досягається бажаний стан змінної системи називають перетворенням. Модель процесу перетворення подана на рис. 2.3.

 

Рис. 2.3. Модель процесу перетворень.

 

Перетворення є наслідком певних дій, заснованих на фізичних, хімічних або біологічних явищах і описаних деякою інструкцією - рецептом, алгоритмом, технологією. Науками, що досліджують перетворення в якій-небудь певній галузі, є, наприклад, термодинаміка, технологія виробництва, хімія, електротехніка. Дії на операнд виконуються «операторами». Процес перетворення є сукупністю операцій (О). У зв’язку з цим необхідно пояснити ще одне важливе поняття – «алгоритм». Під поняттям алгоритм розуміють однозначно певну послідовність операцій, яка або встановлюється один раз наперед і дійсна протягом усього процесу перетворень, або змінюється залежно від результату виконаної операції.

Таким чином, алгоритм можна визначити аналогічно структурі процесу як упорядкована безліч операцій, їх відносин і умов переходу від однієї операції до іншої. Значна схожість є між поняттями алгоритму і технологічного процесу, що є послідовністю операцій при виготовленні виробу, видобування корисної копалини та ін.

Типи і види відносин. Відношенням (R) називається взаємозалежність або взаємодія двох і більше об’єктів або явищ абстрактного або конкретного типу. При конструюванні істотні об’єктивні, визначені відносний, які піддаються опису відповідно до фізичних або логічних законів. Відносини зв'язують окремі елементи в різні системи.

Вираз «об’єкт X знаходиться у відношенні R до об’єкта У» символічно позначається R (X, У), Відношення може бути рефлексивним, симетричним або транзитивним. Ці типи відносин можна охарактеризувати таким чином [8]:

а) рефлексивність - кожний об’єкт еквівалентний самому собі;

б) симетричність - якщо один об’єкт еквівалентний другому, то другий об’єкт еквівалентний першому;

в) транзитивність - два об’єкти еквівалентні між собою, якщо вони окремо еквівалентні третьому.

Якщо виконуються всі три умови, то відношення називається відношенням еквівалентності. Відношення між двома об’єктами також називатиметься кореляцією. Кореляція – це математична модель відношення в узагальненій формі.

Подібність. Подібність – це відношення схожості між двома або більше системами (об’єктами, процесами, поняттями), визначене деякими загальними властивостями. Взагалі кажучи, можливий діапазон ступенів подібності від повної рівності (ідентичності) до приватної схожості.

Можна говорити про функціональне, структурне і про інші види подібності. Звичайно подібність об'єктів розуміється як подібність форми (але, як правило, нерівність по величині). Відношення подібності має велике значення при математичному і фізичному моделюванні. Закони подібності дозволяють визначити умови, при виконанні яких результати модельних експериментів справедливі для реальних умов.

Аналогія. Відповідність істотних ознак, властивостей, структур або функцій об’єктів або явищ називають аналогією. Цей термін часто використовується в тому ж значенні, що і подібність. Наприклад автомобіль Таврія аналогічний автомобілю Toyota або Opel.

Гомоморфізм. Відношення між двома системами, кали кожну складову частику і кожне відношення однієї системи можна відобразити на деяку складову частину і деяке відношення другої системи (але не назад), називається гомоморфізмом. Наприклад, у разі виконання відповідних умов подібності, можна перенести результати модельних експериментів у лабораторних умовах на натурний зразок у реальних умовах його вживання. У такому разі обмежується, область подібності, яка може бути визначена як взаємодія безлічі властивостей.

Ізоморфізм. Ізоморфізмом називається відношення між двома системами, коли кожній складовій частині однієї системи може бути поставлена у відповідність певна складова частина іншої системи і навпаки (симетричність), а також, коли для кожного відношення між двома відповідними складовими частинами є таке ж відношення в іншій системі і навпаки. Як приклад можна привести дві гірничі машини вугільний комбайн і землесосний снаряд у яких є такі складові частини, які можуть бути поставлені у відповідність: виконавчий орган із розпушуючими системами, привід виконавчого органу, механізм подачі на забій або механізм переміщення, корпус, орган завантаження здобутої гірничої маси і ін.

Ідентичність. Відношення між об’єктами або процесами, що характеризуються однаковими властивостями (ознаками), називають ідентичністю. При абсолютній ідентичності повинні бути однаковими всі властивості, при відносній - тільки деякі (в цьому випадку має місце подібність), наприклад, абсолютно ідентичними можна назвати процеси буріння шпурів ідентичним буровим інструментом (однієї марки) в ідентичних умовах.

Еквівалентність. Об’єкти або процеси називаються еквівалентними, якщо між ними є відношення еквівалентності, тобто рівноцінності.

Еквівалентність повніше ідентичності, оскільки для останньої характерна тільки рефлексія. Стосовно техніки обидва поняття використовуватимуться як синоніми, тобто під еквівалентністю мається на увазі абсолютна ідентичність. Самим універсальним еквівалентом можна назвати вартість технічної системи або процесу.

Математичні функції. Важливий клас відносин виражають математичні функції як закономірна залежність від змінної - y = f(x).

Такого роду математичні функції виражають точно встановлене відношення між х і у, тобто детермінований зв’язок.

Причинність. Між причиною і викликаною нею дією існує асиметричне відношення. Причина викликає дію. Існує строга (детермінована типу «якщо..., то») або ослаблена форма причинного відношення. Причинний ланцюг має місце, якщо дія виступає як причина подальших дій. Наприклад, матеріал руйнуватиметься при дії на нього інструментом Із мірою тиску більше межі міцності на руйнування для даного матеріалу.

Зв’язок. Якщо певні виходи елемента (системи) одночасно є входами  якого-небудь елемента (системи), то такого роду відношення називається зв’язком. Зв’язок може бути прямим (послідовним або паралельним), зворотним або комбінованим; він може бути матеріальним, енергетичним або інформаційним.

Просторове відношення. Просторове відношення характеризує взаємне положення елементів відношення в просторі. Просторові відношення вивчаються в топології. Наприклад мірою просторового відношення на поверхні Землі є координати даної системи за довготою і широтою.

Логічне відношення. Логічним відношенням називається відношення між об’єктами типу „І менше ніж І2”, або ,,І3 знаходиться біля І4”. Відомими константами логічного відношення є: І; АБО; І-АБО; НЕ-АБО; ТАК, ЩО; АБО-АБО; ЯКЩО-ТО; ТІЛЬКИ ЯКЩО-ТО; ТІЛЬКИ ТОДІ-КОЛИ; ДОРІВНЮЄ. Як приклад можна привести логічні відносини, що реалізуються в програмах для вирішення завдань на ЕОМ, які в даному випадку мають назву логічних елементів.

Часове відношення. Часове відношення описує впорядкування процесів і подій у часі. Мірою часового відношення є час, що затрачений на протікання процесу, який вимірюється в хвилинах, секундах, годинах  тощо.

 

2.3. Позначення в теорії технічних систем

Із метою спрощення ведення документації при графічному поданні технічних і іншого виду систем і процесів у теорії технічних систем прийняті скорочені позначення (табл. 2).

Висновки: Теорія технічних систем важлива для створення загальної картини в галузі техніки і сприяє вдосконаленню інженерних наук, де вона виступає як узагальнююча теорія. Встановлення визначень, понять та позначень необхідне для уникнення можливих непорозумінь при вивченні теорії технічних систем.

 

Таблиця 2.1.

Позначення в теорії технічних систем

 

 

Контрольні запитання

1. Яка структура теорії технічних систем?

2. Що таке множина?

3. Що таке система?

4. Що характеризує структура TS ?

5. Що таке оточення системи і яким воно буває?

6. Що таке вхід і вихід системи?

7. Охарактеризуйте модель абстрактної системи.

8. Назвіть і приведіть описи трьох характерних типів задач, що розглядаються в теорії технічних систем.

9. Що таке процес перетворення?

10. Що в теорії технічних систем характеризує «зв’язок» як вид відношення?