Функциональная структура. Описание технических систем

Описание технических систем

Критерии развития технических объектов

Понятие технических объектов, технических систем и технологий

Творческая изобретательская деятельность человека чаще всего проявляется при разработке новых, более совершенных по конструкции и наиболее эффективных в эксплуатации технических объектов (ТО) и технологий их изготовления [12].

В официальной патентной литературе термины «технический объект» и «технология» получили, соответственно, наименования «устройство» и «способ».

Слово «объект» обозначает то, с чем взаимодействует человек (субъект) в своей познавательной или предметно-практической деятельности (компьютер, кофемолка, пила, автомобиль и.др.).

Слово «технический» означает, что речь идет не о каких-либо условных или абстрактных объектах, а именно «технических объектах».

Технические объекты применяются для: 1) воздействия на предметы труда (металл, древесина, нефть и т.д.) при создании материальных ценностей; 2) получения, передачи и преобразования энергии; 3) исследования законов развития природы и общества; 4) сбора, хранения, обработки и передачи информации; 5) управления технологическими процессами; 6) создания материалов с заранее заданными свойствами; 7) передвижения и связи; 8) бытового и культурного обслуживания; 9) обеспечения обороноспособности страны и т.д.

Технический объект – широкое понятие. Это космический корабль и утюг, компьютер и ботинок, телевизионная башня и садовая лопата. Существуют элементарные ТО, состоящие всего из одного материального (конструктивного) элемента. Например, литая чугунная гантель, столовая ложка, металлическая шайба.

Наряду с понятием «технический объект» широко используется термин «техническая система».

Техническая система (ТС) – это определенная совокупность упорядоченно связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций.

Любая техническая система состоит их ряда конструктивных элементов (звеньев, блоков, узлов, агрегатов), называемых подсистемами, число которых может быть равно N. В то же время у большинства технических систем существуют и надсистемы – технические объекты более высокого конструктивного уровня, в которые они включены как функциональные элементы. В надсистему могут входить от двух до М технических систем (рис. 2.1.).

Технические объекты (системы) выполняют определенные функции (операции) по преобразованию вещества (объектов живой и неживой природы), энергии или информационных сигналов. Под технологией понимается способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью соответствующих технических систем.

Любой ТО находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействие ТО с окружающей живой и неживой средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно разделить на две группы (рис. 2.2.).

Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, передаваемых от окружающей среды к ТО, вторая группа – потоки, передаваемые от ТО в окружающую среду.

А_т – функционально обусловленные (или управляющие) входные воздействия, входные потоки в реализуемые физические операции;

А_в – вынужденные (или возмущающие) входные воздействия: температура, влажность, пыль и т.д.;

С_т – функционально обусловленные (или регулируемые, контролируемые) выходные воздействия, выходные потоки реализованных в объекте физический операций;

С_в – вынужденные (возмущающие) выходные воздействия в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, атмосферы и т.д.

Критерии развития ТО являются важнейшими критериями (показателями) качества и поэтому используются при оценке качества ТО.

Особенно велика роль критериев развития при разработке новых изделий, когда конструкторы и изобретатели в своих исканиях стремятся превзойти уровень лучших мировых достижений, или когда предприятия хотят приобрести готовые изделия такого уровня. Для решения таких задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направление прогрессивного развития изделий и технологий.

Любой ТО имеет не один, а несколько критериев развития, поэтому при разработке ТО каждого нового поколения стремятся максимально улучшить одни критерии и при этом не ухудшить другие.

Всю совокупность критериев развития ТО обычно разделяют на четыре класса (рис. 3.3.):

· функциональные, характеризующие показатели реализации функции объекта;

· технологические, отражающие возможность и сложность изготовления ТО;

· экономические, определяющие экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО;

· антропологические, связанные с оценкой воздействия на человека отрицательных и положительных факторов со стороны созданного им ТО.

Единичный критерий не может полностью характеризовать ни эффективность разрабатываемого ТО, ни эффективность процесса его создания. Исходя из этого, приступая к созданию нового ТО, разработчики формируют набор критериев (показателей качества) и к техническому объекту и к процессу его создания. Процедуру отбора критериев и признания степени важности называют стратегией выбора.

Вместе с тем, набор критериев регламентируется ГОСТом. Показатели качества разделены на 10 групп:

1. назначения;

2. надежности;

3. экономического использования материалов и энергии;

4. эргономические и эстетические показатели;

5. показатели технологичности;

6. показатели стандартизации;

7. показатели унификации;

8. показатели безопасности;

9. патентно-правовые показатели;

10. экономические показатели.

Каждый технический объект (система) может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность.

Потребность (функция ).

Под потребностью понимается желание человека получить определенный результат в процессе преобразования, транспортировки или хранении вещества, энергии, информации. Описания потребностей Р должны содержать в себе информацию:

Р = (D, G, H)

D – о действии, которое приводит к удовлетворению интересующей потребности;

G – об объекте или предмете технологической обработки, на которое направлено действие D;

Н – о наличии условий или ограничений, при которых реализуется это действие.

Наименование ТО	D	G	Н
Грузовой автомобиль	перевозка	груз	по заданному маршруту

Техническая функция. Описание технической функции состоит: F = (P, Q)

где Р – удовлетворяемая потребность; Q – физическая операция.

Физическая операция Q – это определенное действие по преобразованию (превращению) заданных входных потоков вещества, энергии, информации или каких-то иных факторов в выходные потоки вещества, энергии, информации (других факторов).

Описание физической операции Q состоит из трех компонентов: Q = (А_т, Е, С_т),

где А_т – входной поток вещества, энергии, информации или иного фактора;

Е – наименование операции по превращению А_т в С_т;

С_т – выходной поток вещества, энергии, информации или иного фактора.

Наименование ТО	Ат	Е	Ст
Грузовой автомобиль	топливо	преобразование	движение груза

Подавляющее большинство ТО состоят из ряда элементов (деталей, узлов, блоков, агрегатов) и могут быть естественным путем разделены на части (подсистемы, элементы). Каждый из таких элементов, рассматриваемый как самостоятельный ТО, выполняет вполне определенные функции и конкретные физические операции Q.

Между элементами ТО существуют две разновидности связей и два вида структурной организации технических объектов и систем. Различают: конструктивную функциональную структуру (КФС) и потоковую функциональную структуры (ПФС).

Конструктивную функциональную структуру (КФС) отображает функциональные взаимосвязи между отдельными элементами ТО и объектами окружающей среды. При ее графическом построении вначале (обычно прямоугольниками) изображают основные элементы ТО и объекты окружающей среды, а затем соединяют их между собой линиями (ребрами), которые соответствуют реализуемым этими элементами функциям.

Под потоковой функциональной структурой (ПФС) понимается совокупность взаимосвязей между элементами технического объекта и реализуемыми ими физическими операциями через потоки вещества, энергии, сигналов.

Словесное описание, равно как и графическое изображение, ПФС обычно производится в следующей последовательности:

- вначале описываются (или изображаются в виде прямоугольников) элементы ТО;

- указываются (вписываются внутрь прямоугольников) реализуемые этими элементами физические операции по преобразованию вещества, энергии, сигналов;

- описываются (изображаются в виде направленных линий, ребер) потоковые связи между входами и выходами отдельных элементов.

Понятия КФС и ПФС могут быть использованы только для конкретного (существующего, модернизируемого или впервые разрабатываемого) ТО.

Физический принцип действия (ФПД) – это совокупность физических объектов, взаимосвязанных потоками веществ, энергии, сигналов.

Описание ФПД дается (или сопровождается) в виде принципиальной схемы, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы ТО, указаны направления потоков (вещества, энергии, информации) и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты.

Под физико-техническими эффектами (ФТЭ) понимаются различные приложения физических законов, закономерностей или вытекающих из них следствий, которые могут быть использованы в технических устройствах.

Описание ФТЭ в общем виде состоит из трех компонентов: ФТЭ = (А, В, С),

где А и С входной и выходной поток вещества, энергии, сигналов;

В – физический объект, обеспечивающий преобразование потоков А в С

Наименование ФТЭ	А	В	С
Закон Джоуля-Ленца	электрический ток	проводник	теплота

Техническое решение представляет собой конструктивное оформление ФПД. Техническое решение может быть описано с любой степенью детализации через характерные признаки ТО сначала в целом, а затем его элементов (блоков, узлов).

В описании ТР даются: 1) указания (перечень) основных элементов; 2) взаимное расположение элементов в пространстве; 3) способы и средства соединения и связи элементов между собой; 4) последовательность взаимодействия элементов во времени; 5) особенности конструктивного исполнения элементов (материал, геометрические формы и т.д.), принципиально важные соотношения параметров.