Закономерность оптимального соотношения параметров ТС

В ТС, у которой достигнуто достаточно полное соответствие между функциями и структурой, имеет место оптимальное соотношение параметров, которые обеспечивает конкурентоспособные значения критериев эффективности при действующих ограничениях и внешних факторах. Отклонение от оптимальных параметров приводит либо к неконкурентоспособным значениям критериев эффективности, либо ТС становится неработоспособной - не выполняет одну или несколько своих функций.

Оптимальное соотношение параметров не является неизменным. Напротив, в ходе развития и совершенствования ТC оно постоянно меняется.

Сформулированная общая закономерность имеет ряд частных случаев - частных закономерностей, относящихся к конкретным группам параметров, конкретным критериям эффективности и т.д. Рассмотрим одну из таких частных закономерностей, относящуюся только к параметрам размещения элементов ТС в пространстве.

3.3.1. Закономерность минимизации компоновочных затрат

Сложная ТС состоит из ряда функциональных элементов в виде блоков и узлов, как правило, конструктивно обособленных. Каждый элемент имеет свои входы и выходы для подключения (соединения, стыковки и т.д.) с другими элементами. В любой ТС среди всех элементов (подсистем), как правило, можно выделить главный узел или главные узлы, работа которых непосредственно обеспечивает выполнение основной функции TC, а остальные элементы обеспечивают работу главных элементов. Как правило, это энергоемкие узлы.

Главные и вспомогательные узлы ТC обычно имеют определенное взаимное расположение (жесткие связи), соединены между собой каналами передачи энергии и информации (обычно гибкие связи) и имеют необходимую защиту от действия неблагоприятных факторов, что в итоге гарантирует целостность и работоспособность элементов. Для обеспечения указанных связей между узлами ТС и их защиты требуются дополнительные затраты, которые назовем компоновочными затратами, поскольку они непосредственно зависят от компоновки (взаимного расположения) узлов. В связи с этим стоимость ТС складывается из двух частей: первая - суммарная стоимость узлов, вторая -сумма компоновочных затрат.

Выделим основные составляющие компоновочных затрат:

С₁ - стоимость несущего элемента (каркас, станина, плита и т.д.), обеспечивающего определенное взаимное расположение узлов ТС.

С₂ - стоимость элементов прикрытия и защиты (корпус, кожух, оболочка, футляр и т.д.).

С₃ - затраты, зависящие от габаритов ТС и возникающие в других системах (летательный аппарат, цех, склад, транспорт и т.д.), в которые входит (или с которыми взаимодействует) рассматриваемая ТС.

Jij - стоимость каналов передачи энергии и информации между функциональными узлами Bi и Bj, а так же затраты, вызванные устройством между этими узлами экранирования или изоляции при наличии несовместимости между ними (тепловой, электромагнитной, химической и т.д.).

Приведенный перечень компоновочных затрат не является полным. В некоторых ТС может иметь место только часть этих затрат или другие затраты.

У оптимально спроектированной ТС компоновочные затраты Q минимальны, т.е.

(7)

Одним из эффективных приемов минимизации компоновочных затрат является итегрализация конструкций. Примерами могут служить электромашинные преобразователи частоты, мотор - редукторы, авиационные интегральные генераторы, у которых функцию переднего щита выполняет щит авиационного двигателя. Это техническое решение, которое с точки зрения технического творчества нельзя отнести к разряду "сильных" решений, позволило существенно улучшить массогабаритные и энергетические показатели авиационных генераторов. По своей эффективности данное техническое решение стоит в одном ряду с применяемыми на борту системами интенсивного охлаждения и существенно превосходит ту экономию, которую удалось достичь при детальной параметрической оптимизации электрической машины.

В тех случаях, когда компоновочные затраты становятся значительными или даже превосходят суммарную стоимость узлов, возникает необходимость пересмотра выбранной функциональной структуры. Интегральная технология в электронной технике - прекрасный пример разрешения возникшего в свое время технического противоречия, когда компоновочные затраты в полупроводниковых схемах управления стали превышать суммарную стоимость узлов этих схем.

Вообще, функциональные и конструктивные связи должны постоянно быть в центре внимания разработчика. По мере усложнения ТС это внимание должно усиливаться, т.к. количество упомянутых связей будет расти.

Аксиома. Если в ТС сохраняются без изменения функциональная структура и принцип действия, то 80% изобретений в рассматриваемом классе ТС дают такие ТС, у которых изменениям подвергнуты функциональные и (или) конструктивные связи. Действительно, если в известной функциональной структуре заменить один известный элемент (узел, блок и т.д.) на другой известный элемент, то такое техническое решение, как правило, изобретением не признается. В теории изобретательства такой прием классифицируется как “применение известного технического решения по своему прямому назначению с присущим ему положительным эффектом без изменения структуры объекта”.В противоположность этому, изменение функциональных и (или) конструктивных связей в ТС, как правило, дает новую, ранее не известную ТС, которая может быть предметом патентной защиты в случае, если эти изменения дают полезный результат обществу.

4. Законы и закономерности развития ТС

4.1. Закон стадийного развития ТС

При рассмотрении закономерностей функционального строения ТC, были выделены четыре основные функции: технологическая, энергетическая, управления и планирования. Указанные четыре функции позволяют четко выделить четыре стадии развития любого технологического комплекса. В таблице 4 представлены стадии развития технологических комплексов с электромеханическими системами.

1. Первая стадия развития связана с эпохой становления и развития ручных орудий, когда технические средства выполняли только технологическую функцию и состояли только из рабочего органа.

2. Вторая стадия соответствует эпохе возникновения и развития машин, которые выполняют наиболее трудоемкие технологические и энергетические функции. Переход ко второй стадии на основе тепловых и электрических двигателей связывают с наступлением эпохи механизации производства, освободившей человека от утомительного физического труда.

3. Третья стадия развития связана с возникновением и использованием машин - автоматов, которые, наряду с технологической и энергетической функциями, взяли на себя функцию управления технологическим процессом. Третья стадия связана с наступлением эпохи автоматизации отдельных производственных процессов.

4. Четвертая стадия развития связана с передачей техническим средствам функции планирования работы машин - автоматов и автоматизированных производств.

Главная причина перехода к очередной стадии развития чаще всего заключается в том, что в процессе развития техники наступают моменты, когда природные физические и умственные возможности человека при выполнении какой-либо фундаментальной функции начинают ограничивать дальнейшее повышение производительности труда или улучшение другого актуального критерия эффективности. Это необходимое условие. К числу достаточных условий, при которых происходит переход к очередной стадии развития, относятся следующие факторы:

1. Наличие необходимого научно-технического потенциала.

2. Наличие социально-экономической целесообразности.

3. Наличие необходимых уровней образования и профессиональной квалификации работников, занимающихся созданием, производством и эксплуатацией новой техники.

4. Наличие необходимого уровня организации работ, обеспечивающего нужную и гибкую концентрацию ресурсов и заинтересованность работников. Из сформулированного закона стадийного развития вытекают несколько важных для теории и практики следствий:

Следствие 1. Уровень новой разработки всегда соответствует или превышает ту стадию развития техники, в которой происходит эта разработка. Применительно к нашему времени любая новая ТC, как минимум, должна реализовывать технологическую, энергетическую и управляющую функции.

Следствие 2. Если на определенной стадии развития признается новой ТС, реализующая меньшее число фундаментальных функций, то это или пионерная ТС или ТC с минимальной новизной в классе широко разработанных объектов.

Примером пионерной ТC может служить вентильный электродвигатель, запатентованный в 1928 году. В то время системы электропривода (третья стадия) уже достаточно широко применялись.

Техническое существо многочисленных современных патентов на электрические машины, например, на асинхронный двигатель (широко и детально разработанный объект техники) заключается, как правило, в незначительных изменениях в конструкции, технологии изготовления и т.д. Тем не менее, это является продуктом технического творчества, поскольку в течение 100 лет никто из разработчиков не смог предложить подобное усовершенствование. В патентном законодательстве подобная защита технических решений основана на принципе "минимальной новизны в классе широко разработанных объектов”. Однако, это, как правило, “не сильные” технические решения.