Основні поняття технічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра обладнання нафтових і газових промислів

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

із дисципліни

«Теорія технічних систем»

для студентів спеціальності 7.090217

«Обладнання нафтових і газових промислів»

усіх форм навчання

В.М. Тимошенко

О.А. Северин

Ю.М. Матвієнко

Полтава 2010

УДК 622.242

Конспект лекцій із дисципліни «Теорія технічних систем» для студентів спеціальності 7.090217 «Обладнання нафтових і газових промислів» усіх форм навчання.- Полтава: ПолтНТУ, 2010. - 49 с.

Укладачі: В.М. Тимошенко, кандидат технічних наук, доцент О.А. Северин, кандидат технічних наук, доцент; Ю.М. Матвієнко, асистент

Відповідальний за випуск: В.М. Тимошенко, к. т. н., доцент, завідувач кафедри обладнання нафтових і газових промислів.

Затверджено науково-методичною радою університету

Протокол № від 2010 р.

Лекція № 1

Тема: ВСТУП. СИСТЕМОТЕХНІКА. СКЛАДНА СИСТЕМА

Питання лекції: Вступ. Системотехніка. Складна система. Технічні та машинні системи. Основні поняття систем. Основні визначення. Типи систем і завдань. Зміст курсу "Теорія технічних систем".

1.1 Вступ. Системотехніка. Складна система

В процесі розвитку цивілізації змінюється уява людей про машини. Спочатку вони розглядалися як ціле з належними тільки для них особливими частинами. Для означення деяких машин не було навіть спеціальних понять. Тільки після заснування технічних шкіл (Париж, 1794 р.; Прага, 1806 р.) починається процес систематизації машин і вилучення з них окремих механізмів, призначених для перетворення руху.

Не можна не згадати праць справжнього генія Леонардо да Вінчі (1452-1519 рр.), який на століття визначив хід розвитку науки і розглядав елементи і частини машин як загальні одиниці різних агрегатів, застосовуваних у військовій, гірничій та морській справі, а також в металообробці, друкарстві, ткацтві та виконанні вантажних робіт. Для полегшення людської праці з'являються також машини-двигуни (парові, гідравлічні, електричні).

Робляться перші спроби створити загальну теорію машин і механізмів, до складу якої входили: синтез механізмів, спільно з структурою і кінематикою, динамікою машин, теорією автоматів.

Створення нових технічних засобів поряд з підвищенням вимог до них, з одного боку, і новими методами вирішення задач (наприклад, засобами обчислюваної техніки) з другого боку, викликає необхідність перегляду методів вивчення технічних систем.

Після другої світової війни виник один з нових напрямків в галузі теорії технічних систем у вигляді окремих аспектів загальної теорії, а пізніше в більш інтегрованій формі - системотехніки. З цього моменту теорія технічних систем знайшла визнання як основа і джерело інформації для декількох суміжних галузей знань. Так наприклад, теорія конструювання частково опирається на теорію технічних систем.

Системотехніка - науково-технічна дисципліна, що охоплює питання проектування, створення, випробування і експлуатації складних систем. При розробці таких систем виникають проблеми, що відносяться не тільки до властивостей їх складових частин (елементів, підсистем), але також і цілому (загальносистемні проблеми). При вирішенні проблем системотехніки широко застосовує методи дослідження складних систем із залученням математичної логіки і статистики, теорії алгоритмів, комбінаторики, теорії ігор, теорії ситуацій, теорії масового обслуговування, теорії інформації і ін.

Складна система - це складений об'єкт, частині якого можна розглядати як системи, закономірно об'єднані в єдине ціле відповідно до певних принципів або зв'язані між собою заданими відносинами.

Поняття «Складна система» широко використовується; у системотехніці, системному аналізі, при дослідженні операцій і системному підході в різних областях науки, техніки і народного господарства. Складну систему можна розчленувати (не обов'язково єдиним чином) на кінцеве число частин, так званих підсистемам вищого рівня.

Кожну таку підсистему можна у свою чергу розчленувати на кінцеве число дрібніших підсистем і т.п., аж до отримання підсистем першого рівня, так званої складної системи, які або об'єктивно не підлягають розчленовуванню на частини, або щодо їх подальшої неподільності є відповідна домовленість. Таким чином, підсистема, з одного боку, сама є складною системою (для підсистем нижчого рівня), що складається з декількох елементів, з іншого боку, вона - елемент системи старшого рівня.

Типові приклади складної системи: у області організації виробництва і технології - виробництв, комплекс підприємств як сукупність виробничих комплексів цехів і ділянок, кожний з яких містить деяке число технологічних ліній, останні складаються з верстатів і агрегатів, що розглядаються зазвичай як елементи складної системи. У області автоматизованого управління - процес управління підприємством або галуззю промисловості, як сукупність процесів збору даних про стан керованих об'єктів, формування потоків інформації, її накопиченні, передачі і обробки, формування дій, що управляють. У області обчислювальної техніки - математичне забезпечення сучасних обчислювальних комплексів.

З цієї миті теорія технічних систем знайшла визнання як основа і джерело інфраструктури для декількох системних галузей знання. Так, наприклад: теорія конструювання частково спирається на теорію технічних систем.

проектування технічний система виготовлення

1.2 Технічні та машінні системи

Можливі два підходи до розв'язання проблеми означення технічного засобу -"абстрактної машини":

- Перший, полягає в переліку всіх елементів, які входять до складу машини (наприклад: провід, передаючий механізм, колінчастий вал, втулки, болти та інш.).

- Другий підхід полягає в пошуку нового узагальненого виразу або терміну. В останньому випадку основна увага при описі технічного засобу приділяється його системним властивостям.

Виходячи з поняття системи, їх можна розділити на класи за принципом походження (рис.1). При цьому окремі елементи цієї структури визначаються на підставі загальноприйнятої класифікації галузей знання: класи технічних систем відповідають відомим галузям техніки - машинобудування, електротехніка, будівництво і т.п.

Але такий підхід не дає точного означення "технічний засіб", тому що згідно (рис. 1) його можна трактувати і як об'єкт машинобудування, і як електротехніки тощо, більше того в останній час існують гібридні системи (наприклад, біотехнічні, до яких належать людино-машинні складні системи).

У зв'язку з цим для означення "абстрактної машини" доцільно використувати термін "технічна система", яка в загальному вигляді є сукупністю елементів і відношень (зв'язків), які утворюють цілісну структуру об'єкту. При вивченні технічних систем розрізняють три класи сукупностей об'єктів:

1) неорганізовані (наприклад, заготовки, які лежать навалом);

2) організовані з елементами, об'єднаними в стійку структуру, яка має нові властивості (наприклад, верстати ЧПК);

3) самопристосовувані зі зміною зв'язків або структури під дієто зовнішньою середовища (наприклад, адаптивні системи керування).

В теперішній час суспільство потребує створення нових технічні системи, застосування яких дозволить вирішувати не тільки техніко-економічні, але й соціальні проблеми, що потребує ще більше якісних винаходів, ніж раніше: природні ресурси виснажуються, природа знищується, духовні та матеріальні запити людей ростуть, а третина швидкозростагочого світового людства страждає від недоїдання і знаходиться за межею бідності.

Науково-технічна революція призвела до різкого зростання кількості і складності технічної системи (табл.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 1. - Розподіл систем за їх походженням

Таблиця 1

Термін	Приблизна кількість класів	Середня кількість різних елементів в найбільш складних технічних системах
100 000 років тому 10 000 років тому 1 000 років тому Теперішній час	5 50 1000 Більше 50 000	1 10 100 Більше 10 000

Таблиця 2. Динаміка розвитку технічних систем в теперешній час

Показних технічної системи	Зростання показника технічної системи	Термін, роки.
Кількість класів Складність за кількістю деталей та вузлів Обсяг науко-технічної інформації в розробках Час створення нової техніки Обсяг пошукового конструювання Продуктивність праці в промисловості Продуктивність конструювання	х2 х2 х2 х0,5 х10 х10 х1,2	10 15 8 25 10 50 50

1.3 Основні поняття систем

Множина - це сукупність спостережуваних або мислених об'єктів - елементів множини. За кількістю елементів розрізняють скінчені та нескінчені множини. Якщо X - елемент множини М, то записують Х Є(М). Дві множини М і N еквівалентні, якщо кожному елементу множини М точно відповідає елемент множини N і навпаки. Якщо усі елементи множини N є в М, то N - підмножина М тобто N Є(М).

Сукупність усіх неналежних N елементів М називають доповненням множини N. Об'єднання М і N - це множина, усі елементи якої належать або М, або N. Перетинання

М і N включає усі елементи, які належать як М, так і N.

Система - це сукупність, яка створена з скінченої множини елементів. При цьому між елементами системи існують певні зв'язки. Можливі також системи, які мають ізольовані елементи (або групи елементів), котрі не мають зв'язків з іншими елементами системи.

Елемент і система є відносними поняттями з точки зору системного підходу, основним принципом якого є концепція цілісного, неможливість зводити складне до простого, цілого до частини, наявність у цільному об'єкті таких властивостей і якостей, котрі не можуть бути присутні в його частинах.

Системний підхід вимагає розглядати систему як частину надсистеми, з елементами якої вона пов'язана, а окремі елементи системи можна, в свою чергу, розглядати як підсистеми.

Наприклад, для верстата-автомата, як технічної системи (мал. 2), автоматична лінія є надсистемою 1 порядку, автоматичний цех - надсистема II порядку, а завод-авто-мат - надсистема III порядку. Підсистемами І порядку для верстата-автомата будуть механізми головного руху, подачі, автоматичної зміни інструменту, тощо. Підсистемами II порядку, наприклад, для механізму головного руху є шпиндельний вузол, коробка швидкостей, електродвигун, а для шпиндельного вузла підсистемою III порядку будуть шпиндель, опори, кришки, болти,тощо.

Узагальнена модель системи наведена на рис.3, а її поняття знаходяться в одному ряду з такими поняттями, як призначення, поведінка (функціонування), структура, навколишнє середовище, вхід, вихід, властивість, стан.

1.3.1 Основні визначення

Будь-яка виготовлена система має певне призначення, яке може бути описано системою цілей (мал. 3). Ціль (мета) - це якийсь (можливо, уявний) стан справ, до здійснення якого прямують. Система цілей - це множина цілей і співвідношення між ними. Часто підціль є засобом досягнення мети.

Поведінка може бути визначена як множина послідовних у часі станів системи. Цілеспрямована поведінка системи називається функцією (або телеологічною функцією). Поведінку технічної системи будемо називати функціонуванням.

Структура системи характеризує внутрішню організацію, порядок і побудову системи, тобто структура - це сукупність елементів і співвідношення (зв'язків) між ними. Якщо Е= {е1, е2,...еп} є множина елементів, а R = {r1, r2,...rп} множина співвідношень (зв'язків), то структура Str = {Е, R} є множина, яка складається з Е і R. Один і той же об'єкт може бути визначений кількома системами.

Наприклад, для верстата-автомата можна визначити систему головного руху, систему подачі, систему автоматичного керування, систему автоматичного завантаження заготовок тощо.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 2. - Ієрархія технічних систем на приклад в металообробних верстатів

Функціонування системи задається її структурою, яка повністю визначає спосіб функціонування. Відносно замкнута система з конкретною структурою функціонує однозначно. З іншого боку, функціонування не визначає структуру однозначно, тому що одна і та ж функція може бути реалізована різними структурами.

Оточення (навколишнє середовище Umg) системи теоретично включає все, що не входить в дану систему, але ми обмежимося тільки реальним довкіллям, а не повним, до якого входять: геосфера, атмосфера, біосфера (з людьми), техносфера, астросфера.

Вхід (Iп) - це зовнішнє відношення навколишнього середовища до системи, тобто навколишнє середовище система. Сукупність усіх входів складає узагальнений вхід, як вектор окремих дій, зв'язків (відносин) та (або) параметрів стану (операндів).

Мал. 3. - Уза-гальнена модель системи

Вихід (Ou) - це зовнішнє відношення системи до навколишнього середовища, тобто система - навколишнє середовище. Сукупність усіх виходів може бути зведена до узагальненого виходу (вектору виходу).

Входи і виходи системи включають усі види зв'язків з навколишнім середовищем: бажані і небажані (завади), зв'язки матеріального (S), енергетичного (En) та інформаційного (І) характеру.

Вся система, її елементи і відносини володіють властивостями, які належать цій системі і відносно точно її визначають (розміри, маса, швидкість, форма, стабільність, технологічність, транспортабельність, а особливо здатність щось робити, тобто функціонувати).

Властивістю є будь-яка суттєва ознака об'єкту. Для сукупної характеристики об'єкту, наприклад, при його оцінюванні, вибирають найбільш суттєві властивості. В цьому випадку мова йде про часткову, узагальнену та сукупну оцінку, узагальнені властивості або цінності.

Сукупність значень властивостей системи в зазначений момент часу називається станом системи, який за аналогією з якістю можна визначити вектором, що містить як компоненти окремі властивості.

Два стани системи можуть бути однаковими або різними. Різниця між станами називається різницею, яка виникає при переході системи від одного стану до іншого. Різниця може бути диференційованою (коли має місце безперервний перехід до наступного стану) або дискретною.

1.4 Типи систем і завдань

Відповідно до розвитку критеріїв можна встановити велику кількість систем, що класифікують їх:

а) За місцю системи в ієрархії: надсистема, система, підсистема;

б) За зв'язках з оточенням: відкрита (з певним довкіллям, тобто прийнайні з одним входом аботвиходом), закриті або замкнуті (без зв'язку з довкіллям);

в) За зміною стану: динамічні (стан змінюється в часі), статичні (стан не змінюється в часі);

г) За характером функціонування: детерміновані (в залежності від стану системи можно однозначно судити про ії функціонування), стохастічні (можно тільки висловити припущення відносно різних можливих варіантів функціонування)

д) За типом елементів (в розумінні їх конкреттності): конкретні (елементами є реальні об'екти), абстрактні (елементами є нереальні об'екти);

е) За походженням системи: природні (створені природою), виготовлені (створені людьми);

є) За характером залежно виходов: комбінаторні (вихід залежіть тільки від входу), секвентивні (вихід залежіть тільки від входу та інших величин);

ж) За рівнем складності структури: надзвичайно складні (мозок, народне господарство), дуже складні (завод-автомат або цех-автомат), складні (верстат-автомат), прості (болтове з'єднання);

з) За видом елементів: системи типу «об'ект» (елементами є: двигун, машина, патрон), системи типу «процесс» (елементами є операції: виготовлення, фільтрація, перегонка, різання, та інші).

В зв'язку з необхідністю проектування систем розглядають три характерні типи задач: аналіз, синтез, вимірювання (іспит).

Задача аналізу - задана структура (відомі вхід Z і X), необхідно визначити функціонування системи (вектор множини вихідних параметрів Y).

Задача синтезу - задані характер функціонування (відомий вектор вихідних параметрів Y) та інші вимоги до системи (включаючи відомий вектор вхідних параметрів Z), необхідно визначити структуру, котра задовольняє поставленим вимогам.

Задача вимірювання - задані параметри системи (вектор Х) і характер функціонування (вектор вихідних параметрів Y), необхідно визначити вхідні параметри Z.

Можливо розв'язання і четвертої задачі або задачи «чорного ящика» - в якої задана система, структура якої невідома або відома частково, необхідно визначити її функціонування (Y = ?) і, можливо, структуру (X = ?), невідомі або частково відомі вхід (Z=?) і структура (X = ?) або вхід (Z = ?) і вихід (Y = ?).

Існують системи типу "об'єкт" і типу "процес", виготовлені процеси, в яких ті чи інші дії (операнда) людина організовує для виготовлення процесів з метою здійснити необхідні або жадані для неї зміни, наприклад, для задоволення людських потреб. Науки, які досліджують перетворення в якійсь певній галузі, є, наприклад, термодинаміка, технологія виробництва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 4. -Модель процесу перетворення

Термін «операнд» (Od) обраний як загальна назва речей, систем та станів, які віддані цілеспрямованому перетворенню, як наслідку певних впливів, заснованих на фізичних, хімічних та біологічних явищах і описаних деякою інструкцією-рецептом, алгоритмом, технологією.

Дії на операнд (мал. 4) виконуються операторами і є виходами операторів.

Типовими видами «процесів» в техніці є керування і регулювання. Керування - це процес в системі, завдяки якому, одна чи кілька вхідних величин діють бажаним чином на інші, які вважаються вихідними. Регулювання - це процес завдяки якому деякі змінні (регульовані) величини безперервно співставляються з еталонними (керованими), причому на регульовані величини здійснюється вплив з метою приведення відповідних відхилень до нуля.

Відношення (R) - це взаємозалежність або вплив двох і більше об'єктів або явищ абстрактного або конкретного типу. Відношення може бути: рефлексним, симетричним або транзитивним і характеризуватися так:

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

б) симетричність - якщо один об'єкт еквівалентний іншому, то другий еквівалентний першому;

в) транзитивність - два об'єкти еквівалентні між собою, якщо вони роздільно еквівалентні третьому.

Якщо виконуються усі три умови, то відношення називається - відношенням еквівалентності.

Кореляція - це математична модель відношення в узагальненій формі.

Розрізняють такі види відношень: подібність - відношення між двома або більше системами (об'єктами, процесами, виразами); аналогія (відповдність істотних ознак, властивостей, структур або функцій); гомоморфізм (коли кожну складову частину ф кожне відношення однієї системи можно відобразити на деяку складову частину і деяке відношення іншої ситеми); ізоморфізм (коли кожна складова частині однієї системи може бути поставлена у відповідність певній складовій частини іншої системи і навпаки); ідентичність (однакові властивості або ознаки); еквівалентність рівноцінність); математичні функції; причинність (детермінована типу «якщо ..., то»); зв'язок; мета-засіб; просторе, логічне (типу «дорівнює», «і», «або», «і-або», «ні-або», «так, що», «або-або», «якщо-то» та інші).

1.5 Зміст курсу "Теорія технічних систем "

Курс "Теорія технічних систем" включає цикл лекцій і практичних занять. Він спрямований на то, щоби в найкоротший термін впровадити нові технічні ідеї у виробництво. Цей курс в хронологічній послідовності повинен передувати і бути пов'язаний з курсами "Теорія механізмів та машин", "Деталі машин", "Металорізальні верстати", "Технологія машинобудування", Ріжучий інструмент", а також з фундаментальними дисциплінами фізико-математичного циклу.

Предметом курсу є технічні системи та їх елементи з протиріччями, які створюють проблемну ситуацію, вирішення якої можливо шляхом синтезу нової, більш прогресивної системи.

Структура теорії технічних систем повинна включати такі основні положення: система понять; система перетворень; технічний процес як елемент системи перетворень; технічні системи, як елемент системи перетворень; призначення технічних систем; структура технічних систем; властивості та оцінювання технічних систем; виникнення і розвиток технічних систем; еволюція технічних систем; систематика - класи, типи та види технічні системи.

Залежно від галузі застосування розрізняють:

- загальну теорію технічних систем, яка справедлива для всіх систем (рис. 1);

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

Структура спеціальної теорії технічних систем може бути ієрархічною (наприклад, теорія верстатів, теорія металообробних верстатів, теорія токарних верстатів). Особливе місце займають спеціальні теорії, які використовуються для декількох галузей техніки, наприклад, теорія механізмів, теорія деталей машин тощо.

Лекція № 2

Тема: ІЄРАРХІЯ ОПИСУ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

Питання лекції: Ієрархія опису технічних систем. Закономірності розвитку і еволюції технічних систем. Структура і параметри технічних систем. Функціональна і органічна структура технічних систем. Конструктивна схема технічних систем. Параметри технічних систем. Ознаки класифікації технічних систем. Класифікація технічних систем по функціях і принципах дії. Класифікація технічних систем по ієрархічних рівнях складності. Класифікація технічних систем за способами виготовлення і типами виробництва. Класифікація технічних систем по ступенях абстрактності.

2.1 Ієрархія опису технічних систем

Розвиток знань пов'язаний з підвищенням складності принципових підходів до дослідження та його методів, котрі складають наступну ієрархічну послідовність наукового опису технічних систем:

1. Параметричний - опис властивостей, ознак та відношень об'єкту на підставі емпіричних спостережень. Це найбільш проста форма і вихідний рівень дослідження об'єкту.

2. Морфологічний - перехід до визначення по елементного складу, побудови об'єкту та взаємовідносин параметрів, які виявлені на попередньому рівні.

3. Функціональний - перехід до визначення функціональної залежності між параметрами (функціонально-параметричний опис), між елементами об'єкту (функціонально-морфологічний опис) або між параметрами і побудовою об'єкту.

4. Фізичний (поведінка об'єкту) - виявлення цілісної картини "життя" об'єкту і механізмів, які забезпечують зміну напрямків та "режимів" роботи об'єкту (найбільш складна форма наукового дослідження).

Наприклад: параметричний опис металорізального верстату, як технічної системи, це: основні технічні характеристики (технологічні, розмірні, кінематичні, силові, динамічні) та показники (продуктивність, точність, жорсткість, потужність, габарити тощо).

Морфологічний опис верстату включає: джерело енергії, двигуни, передавально-перетворюючі та виконавчі механізми, систему керування.

Функціонально-параметричний опис встановлює, наприклад, залежність точності обробки від жорсткості пружної системи верстату і режимів різання. Прикладом функціонально-морфологічного опису служить рівняння балансу кінематичного ланцюга.

2.2 Закономірності розвитку і еволюції технічних систем

Технічний рівень - це сукупність технічних властивостей - параметрів, які визначають сукупну цінність виробу.

З розвитком техніки підвищується технічний рівень машин, змінюються виконувані ними функції та удосконалюється принцип їх конструювання. З точки зору морального зношування машина, як технічна система, має певні "цикли життя" у сферах перевиробництва та експлуатації, що має вплив на її рентабельність (досягнутий прибуток).

З появою нової конкурентоздатної машини збут швидко зростає, досягає максимуму і по мірі насичення споживчого ринку починає скорочуватись. Аналогічно змінюється прибуток підприємства - виробника. Максимум збуту і прибутку, як правило, не співпадають за часом внаслідок інерції виробництва.

Таким чином, технічний рівень виробів і технічних систем з часом підвищується завдяки впровадженню винаходів.

У сфері експлуатації типовий "цикл життя" машини визначається різницею між прибутком, який створюється у споживача, і експлуатаційними витратами.

Опис розвитку технічних систем описується законами: "статики" (початок життя), "кінематики" (розвиток) і "динаміки" (головні тенденції розвитку в теперішній час).

Закони статики: 1) "повнота частин" - наявність і мінімальна працездатність основних частин технічних систем; 2) "енергетична провідність" - наскрізний прохід енергії всіма частинами технічних систем; 3) походження "ритміки" частин - частоти коливань, періодичності роботи усіх частин.

Закони кінематики: 1) "підвищення ступеню ідеальності" - витрати на виготовлення та функціонування технічних систем прямують до нуля, хоча працездатність її не зменшується; 2) "нерівномірність розвитку частин" (чим складніша технічних систем, тим нерівномірнішим є її розвиток); 3) "перехід в надсистему" - вичерпавши можливості розвитку, система включається в надсистему, як одна з частин.

Закони динаміки: 1) перехід з макрорівня на мікрорівень; 2) підвищення ступені вепольності - зростання кількості елементів і зв'язків між ними.

Головна рушійна сила розвитку технічних систем - усунення протиріччя між зростаючими потребами суспільства і можливостями теперішніх технічних систем. Діалектика розвитку технічних систем полягає в тому, що в новому об'єкті поєднуються нові та відомі технічні рішення. Так, на початку розвитку металорізальні верстати мали рухи від загального приводу - локомобіля за допомогою трансмісійних валів (складність керування, низька продуктивність, висока небезпека). Потім з'явились верстати з індивідуальним приводом від електродвигуна через зубчасті передачі. Тенденція розвитку сучасних верстатів - постачання кожного вузла власним приводом у вигляді, наприклад: крокового електродвигуна, високомоментного двигуна,тощо.

Подальший розвиток технічних систем вимагав подолання протиріч між високою продуктивністю процесу різання і великими витратами часу на виконання холостих рухів і допоміжних операцій. Приводи не забезпечували необхідну точність позиціювання універсальних верстатів під час роботи в автоматичному режимі. При цьому в системах керування для досягнення високої точності використовувались дискретні сигнали, а у приводах аналогові сигнали не дозволяли одержати достатню точність. Ці протиріччя привели до появи нового класу високоточних приводів, які керуються від пристроїв ЧПК (числового програмного керування). Прикладом може бути привід, який включає кроковий електродвигун, гідравлічний підсилювач, гидродвигун та безлюфтову кулькову гвинтову пару.

2.3 Структура і параметри технічних систем

При розгляді технічних систем треба визначити такі ключові характеристики, як призначення, спосіб дії та структуру.

Призначенням технічних систем - є виконання певного впливу в технічному процесі.

Причинний ланцюжок з перетворенням наслідку (виходів) у причини (входи) наступних операцій характеризує спосіб дії (спосіб функціонування) технічних систем.

Структура технічних систем поділяється на структурні елементи і групи в залежності від прийнятої точки зору (наприклад, складання або функціонування). Структурні елементи і групи знаходяться між собою в певних геометричних, механічних, енергетичних та інших відношеннях. Таким чином всяка технічна система може бути розділена на підсистеми, що свідчить про її ієрархічність (ступінчастість).

З точки зору основної комбінаторної концепції технічних систем можна зобразити (графічно) у вигляді дерева блоків накладанням один на одного різних ознак розчленування - факторів, через котрі доводиться по різному ділити об'єкт (технічна система) на частини. Розчленування можуть бути функціональними, технологічними та іншими. Технічну систему можна зобразити графічно у вигляді дерева ознак побудови об'єкту або у вигляді списку ієрархії специфікації.

Для систематизації тієї чи іншої предметної області зручно застосовувати картотеки (файли), в будь-яке місце котрих можна легко вставити нову картку, знайти потрібну, виключити її, тощо. Цю властивість використовують в процесі проектування технічних систем при обробці великих масивів з побудовою комбінаторного файлу-списку лексикографічних упорядкованих записів.

Таким чином, комбінаторний файл - спискова структура, в котрій враховані її альтернативи і комбінації ознак будови; він описує деяке сімейство об'єктів в цілому і жодного об'єкту окремо.

Сукупності, з котрими має справу конструктор, суттєво комбінаторні, тобто пере-хід супроводжується швидким зростанням кількості можливих варіантів. Якщо кожну з К деталей верстату виробляти одним з N матеріалів, то кількість різних комбінацій буде NК.

Структуру технічних систем можна уявити на різних рівнях абстрагування, а саме, як: а) функціональну; б) органоструктуру; в) конструктивну схему.

Можливості символічного, уявлення технічних систем не вичерпуються цими трьома структурами, їх може бути більше.

Взаємозв'язки між розглядуваними структурами технічних систем легко зрозуміти, використовуючи відношення "мета-засіб". З цієї точки зору призначення технічних систем (як мета) забезпечується певною функціональною структурою (як засіб); ця функціональна структура (як мета) може бути реалізована різними органоструктурами (як засіб); органоструктури (як мета) можуть бути реалізовані різними конструктивними схемами (як засіб).

Всі зовнішні дії технічних систем відносяться до активних (крім сторонніх впливів середовища), які називають завадами. Кожному впливу на технічну систему відповідає дія технічної системи (за принципом "вплив-реакція") - випадок "чорного ящику".

2.4 Функціональна і органічна структура технічних систем

Функціональна структура технічних систем визначається як упорядкована сукупність функцій і відношень між ними і будується стосовно до її робочого стану.

Технічна функція - це здатність технічних систем при певних умовах перетворювати вхідну величину в потрібну вихідну величину при забезпеченні чіткої відповідності залежної вихідної величини від незалежної вхідної.

Відношення між функціями, показані на прикладі функціональної структури слюсарних лещат, можуть бути представлені в словесній формі таким чином: енергія обертового руху передається ручці, енергія перетворюється із зростанням сили, обертання перетворюється в поступовий рух, а поступовий рух разом з силою передається лещатам. В результаті з'являється функціональний опис способу дії технічних систем.



Мал. 1. - Графічне зображення технічних систем у вигляді дерева. а, б) ознак будови об'єкта; в) списки ієрархії специфікації

Серед технічних функцій (для яких основні три можливі характеристики - складність, ступінь абстрактності, призначення) треба вирізнити таке:

- логічна функція, яка перетворює одну або дві незалежні змінні величини в залежні, котрі можуть приймати тільки два значення (наприклад, 0,1);

- узагальнена елементарна функція, яка створюється при об'єднанні операцій загального характеру (накопичення, передача, перетворення) з об'єктами таких узагальнених категорій як людина, матерія, енергія та інформація;

- нормативна елементарна функція, яка відповідає операціям об'єднання, розподілу та керування;

- фізична елементарна функція відповідно до 12 основних фізичних операцій: випускати, відділяти, збирати (складати), підганяти, перетворювати, помножити, направляти, з'єднувати, підключати, змінювати напрямок, встановлювати, ховати (зберігати).

Органоструктура - це абстрактна модель технічних систем, яка містить технічні засоби (виконавчі органи) і відношення, які реалізують способи дії певного класу.

Окремі виконавчі органи можна об'єднати по їх відношенню до перетворень і отримати структуру більш високого рівня - органоструктуру перетворень (мал. 2), подібну сукупності функцій технічних систем.

2.5 Конструктивна схема технічних систем

Виконавчі органи (органоструктура) конкретизуються у вигляді конструктивних елементів (конструктивних схем). Конструктивна схема втілює (у загальному вигляді) усі

потрібні властивості та ознаки технічних систем. Органоструктура може бути реалізована різними конструктивними схемами, в яких можуть існувати три типи відношень:

- просторові (визначаються розміщенням елементів технічних систем в просторі);

- механічні (зв'язки) окремих елементів (характеризуються ступенями вільності;

- енергетичні, які задаються, зокрема, силовим взаємовпливом між деталями (наприклад, створення сили обертанням гвинта).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 2. - Органоструктура перетворень

Конструктивна схема визначається не тільки типом впливу, способом дії та властивостями операнда, котрі вона повинна реалізовувати, але також і принципом її побудови. Типовим є, наприклад, модульний принцип побудови, котрий позитивно зарекомендував себе не тільки при проектуванні, але також при виготовленні та використанні технічні системи. Часто комбінують різні принципи, що дозволяє залучати її переваги і виключити недоліки.

2.6 Параметри технічних систем

Параметри і показники характеризують ступінь виконання функцій або ступінь функціонування технічних систем. Наприклад, головна функція компресора - "стискати газ", але можуть бути різні кінцеві тиски газу, кількість підведеного газу в одиницю часу, види газів, тобто різні ступені функціонування. Особливістю параметрів і показників є можливість їх безпосереднього кількісного вираження.

Параметри (більш загальне поняття, ніж показники) - це комплексні характеристики технічних систем і їх можна виразити через один або декілька показників, котрі для машин прийнято звати техніко-економічними. Наприклад, геометричний параметр можна виразити через такі показники, як довжина, висота, ширина, глибина, діаметр та ін., параметр маси - через показники абсолютної та питомої маси, тощо. Одними з основних для машин є показники, які характеризують їх призначення: продуктивність, швидкість роботи, тиск та ін.

Однією з найважливіших властивостей машин, які характеризують ступінь їх корисності, є якість. До якісних характеристик ТС відносять такі їх властивості, як: надійність, технологічність, ергономіка, естетика, екологічність, транспортабельність, придатність до упаковки в експлуатації, тощо.

2.7 Ознаки класифікації технічних систем

Термін "технічна система" визначено як узагальнюючий для широкого кола пристроїв, створених і створюваних людиною та іншими технічними системами, з метою задоволення різноманітних суспільних потреб. Технічні системи застосовуються у всіх сферах людської життєдіяльності; через те класифікація технічних систем як струнка система упорядкування різних машин, механізмів та пристроїв, має надзвичайно важливе методологічне та практичне значення.

Технічні системи можуть бути класифіковані за широким спектром ознак:

- за функцією (технічні системи для формоутворення, обертання, підйому) і типом перетворюваних об'єктів (матерії, енергії, інформації);

- за принципом здійснення робочої дії (технічні системи, що засновані на механічному, гідравлічному, електронному та інших принципах) та характером функціонування (швидкісні, імпульсні, потужнісні);

- за рівнем складності (конструктивні елементи, вузли, машини), ступенями конструктивної складності (деталі прості, складніші, складні, дуже складні, надзвичайно складні) та ступенями оригінальності (запозичені, модифіковані, оригінальні технічні системи);

- за способом виготовлення (технічні системи, виготовлені шляхом різання, лиття, штампування) та за іншими ознаками, що пов'язані з виготовленням - матеріалом,

формою, типом виробництва, фірмою-виробником;

- за типом виробництва (в умовах одиничного, серійного та масового виробництва);

- за місцем в технічному процесі, за експлуатаційними властивостями, зовнішнім виглядом, техніко-економічними характеристиками і т.п.;

- за ступенем абстрактності.

Одна і та ж технічна система може належати одночасно до декількох класів.

2.8 Класифікація технічних систем по функціях і принципах дії

Як правило, назви технічних систем вибирають у відповідності із їх функціями. Виходячи із цього ж принципу складають номенклатуру виробів, промислові і торгівельні каталоги, оглядові таблиці. Вузли і деталі машин як технічних систем теж класифікують за функціональною придатністю, тобто за конструктивно-функціональною ознакою, яка є однією з основних при запозиченні технічні системи, уніфікації, стандартизації, типізації елементів і груп.

Через значну різноманітність надзвичайно важко, й практично неможливо скласти повну і вичерпну конструктивно-функціональну класифікацію технічні системи, що використовуються в різних галузях. Проте очевидно, що для конкретного підприємства доцільно проводити таку класифікацію для множини елементів і вузлів, які виконують одну певну функцію, таких як кріпильні деталі, редуктори, муфти, гідравлічні та пневматичні прилади і т.п.

При розробці класифікації деталей, вузлів та машин варто прагнути до простоти умовних позначень. Зокрема, рекомендується застосовувати трьох-, чотирьохзначне маркування.

Розвиває класифікацію технічні системи за функціональною ознакою класифікація за принципом дії. Адже для конструктора надзвичайно важливо диференціювати одно функціональні ТС за якоюсь важливою додатковою ознакою, а саме - за принципом дії.

Як приклад, можна привести механічні передачі, їх можна згрупувати у передачі тертям та передачі зачепленням. У свою чергу, передачі тертям можуть бути безпосереднього дотику (фрикційні) та з гнучким зв'язком (пасові). Механічні передачі, здійснювані за допомогою зачеплення теж можна класифікувати як передачі безпосереднього дотику (зубчасті, гвинтові, черв"ячні, глобоїдні, гвинт-гайка) та передачі з гнучким зв'язком (з зубчастим пасом, ланцюгові).

Такого роду ознаки технічні системи переважно стосуються функціонально зумовлених властивостей і мають велике значення для методичної роботи конструктора.

2.9 Класифікація технічних систем по ієрархічних рівнях складності

Особливості розробки технічних систем, їх проектування пов'язані із блочно-ієрархічним підходом до побудови технічних систем. При цьому будь-яка технічна система розглядається як система, яка складається із підсистем.

Цим зумовлена класифікація технічних систем за ієрархічними рівнями складності. На більш високих рівнях складності можна розрізняти додатково і проміжкові рівні. Зазначена ієрархія є відносною, адже одна і та ж технічна система більш низького рівня в одній системі розглядається як підгрупа, а в іншій системі - як група чи машина (підсистема). З врахуванням зв'язків між рівнями складності технічних систем в найбільш узагальненому плані технічні системи можна представити деревом з відповідними ієрархічними рівнями: технічна система - машина - група - підгрупа - елемент. Класифікація технічних систем за рівнями складності має надзвичайно важливе значення в силу того, що рівень складності технічних систем визначає ступінь складності технічного рішення, яке розробляє конструктор, окреслює певні межі спеціалізації інженера; допомагає йому узгоджувати свою діяльність як з вищими, так і з нижчими рівнями. Відповідно структурованою є також існуюча система конструкторсько-технологічної документації.

Технічні системи можна також класифікувати з точки зору конструктивної складності навіть в межах одного і того ж, наприклад, рівня складності (III). При плануванні конструкторської роботи ступінь конструктивної складності розроблюваної технічної системи служить критерієм для встановлення певних хронологічних рамок інженерної праці.

Деталі машин також можна класифікувати в залежності від ступеню складності їх конструкції. Критеріями оцінки ступеню конструктивної складності служать: ступінь оригінальності конструкції; складність виконуваних функцій, форм; складність розрахунків; технологічні параметри виготовлення та інші.

Важливою є класифікація технічних систем за ступенем оригінальності конструкції.

Для виконання необхідної функції вже можуть існувати декілька систем. Серед них слід вибрати ті, які найбільш підходять до заданих умов. До категорії запозичених технічних систем в першу чергу відносять уніфіковані елементи і групи (болти, вентилі, пружини), а також - не уніфіковані, які можуть бути запозичені із інших конструкцій.

Допрацьовані технічні системи передбачають додаткову доробку вибраної технічної системи без зміни структури технічних систем і найважливіших властивостей елементів з метою пристосування до особливих умов і вимог нової задачі.

В модифікованих технічних системах, як правило, не змінюють лише функцію, деякі параметри і при можливості - принцип дії. Удосконалюють форму, розміри, технологію виготовлення технічних систем, часто змінюють структуру і конструктивну схему.

Найбільш оригінальними є нові технічні системи, які представляють собою об'єкти з новим принципом дії та іншими технічними властивостями. Такі системи розробляють, коли для виконання бажаної функції неможливо використати існуючі технічні системи через недоліки принципового характеру, або ж подібні системи взагалі відсутні.

2.10 Класифікація технічних систем за способами виготовлення і типами виробництва

При виготовленні певних груп технічних систем використовується однотипне технологічне обладнання. Деталі машин теж можна об'єднати в технологічні групи за принципом схожості технологічних операцій виготовлення. Найбільш важливою є така класифікація при здійсненні організації та підготовки виробництва та його плануванні. На тих же принципах базується групова технологія обробки.

Як приклад, показано класифікацію деталей машин за способом виготовлення.

Для оцінки економічності конструкції з точки зору її виготовлення важливою є класифікація елементів технічних систем за ступенем стандартизації і походженням. Використовуючи ці категорії, можна прогнозувати доцільність і масштаби виробництва технічних систем в рамках даного підприємства.

Зокрема загальна кількість конструктивних елементів технічних систем:

,

де nВЛ і nПОСТ - відповідно кількість елементів власного виробництва і тих, що постачаються; nО і nПО - кількість оригінальних елементів власного виробництва і тих, що постачаються; nЗ - кількість запозичених елементів; nТН і nПТН - кількість типізованих і нормалізованих елементів; nС і nПС - кількість стандартизованих елементів.

З економічної точки зору nО і nПО повинні бути якомога меншими, бо вони визначають вимоги до конструкторської і технологічної підготовки.

В безпосередньому зв'язку з цим знаходиться класифікація технічних систем за типом виробництва.

Найбільш високі вимоги до конструктора висувають технічних систем одиничного виробництва. Вартість кожної виготовленої системи значно зростає. Технічні системи серійного і масового виробництва краще пропрацьовано з точки зору виробництва. Доля конструкторських затрат стосовно до загальних розходів невелика. Вказані категорії технічних систем формують основу для визначення можливої якості виробів.

2.11 Класифікація технічних систем по ступенях абстрактності

Класифікація за ступенем абстрактності розвиває систему класифікації за ієрархічними ознаками. Для цього використовуються позначення системних категорій за ступенем споріднення і за морфологічними ознаками, такими як: клас, група, сімейство, тип, рід, вид і т.п. Така класифікація може бути представлена як сукупність ієрархічних структур технічних систем в різних галузях людської діяльності. Зокрема, для машинних систем на різному рівні абстрагування можна запропонувати багаторівневу структуру.

Лекція № 3

Тема: ОСОБЛИВОСТІ І ОЦІНКА ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Питання лекції: Категорії особливостей технічних систем. Співвідношення між особливостями технічних систем. Необхідні властивості технічних систем Вимоги по вибору і опису критеріїв технічних систем. Функціональні і технологічні критерії розвитку технічних систем. Економічні критерії технічних систем. Ергономічні і естетичні критерії технічних систем. Алгоритм оцінювання технічних систем.

3.1 Категорії особливостей технічних систем

Властивість слід детермінувати як ознаку технічних систем. Ознакою може служити, наприклад, здатність поводити себе певним чином або задовольняти певній вимозі. Через ті чи інші властивості дається характеристика технічних систем. При цьому для об'єктивного аналізу важливо, щоб оцінювані властивості і критерії оцінки могли бути визначені кількісно.

Найважливіше, що характеризує технічних систем, - це присутність у неї бажаних властивостей, бо технічних систем є лише носієм необхідної робочої функції відповідно передбачуваної поведінки. На етапі постановки задачі чи замовлення технічних систем бажані властивості технічної системи називають вимогами. Щоб відповідати заданим вимогам технічних систем повинна не лише виконувати бажану робочу функцію, але і володіти в значній мірі певними властивостями. Технічних систем завжди є носієм найрізноманітніших властивостей, але тільки міра цих властивостей (цінність) має вирішальне значення.

Всі властивості технічних систем можна класифікувати за різними категоріями.

В першу чергу виділяють: а) зовнішні, та б) внутрішні властивості. При цьому виходять із системного принципу. Зовнішні властивості визначають як відношення системи до її оточення. Внутрішні властивості при цьому виявляються як відношення між елементами системи. Користувача ТС цікавлять в значній мірі зовнішні властивості.

За причинним зв'язком властивості класифікують на: а) вхідні дії (причина) і б) функції (наслідок). Між вхідними діями і функціями існують причинні відносини. Наприклад, недостатня жорсткість станини токарного верстату є причиною похибки обробки деталей. Послідовність причини і дії в часі проявляється у вигляді процесу.

За функціональною залежністю ТС підрозділяють а) залежно змінні та б) незалежно змінні властивості. Існує, наприклад, залежність між міцністю і температурою матеріалу; швидкістю руху об'єкту і його кінетичною енергією. Всі ці властивості знаходяться між собою у функціональній залежності, яка може бути виражена аналітично. Ті властивості, на які здійснюється вплив, називаються залежними змінними (міцність). Ті властивості, які здійснюють вплив на інші, називаються незалежним змінними (матеріал, форма, габарити). Одні і ті ж властивості в різних технічних систем можуть виступати як залежні чи незалежні.

За можливістю кількісного визначення властивості технічних систем класифікують на ті, що: а) визначаються легко; б) визначаються важко; в) не визначаються кількісно. Коли неможливо оцінити кількісно властивості, застосовується оцінка на основі системи балів за зростаючими рівнями (класами).

За значимістю властивості класифікують на: а) дуже важливі (незамінимі) - функції безпеки; б) важливі - надійність, термін служби, ціна; в) менш важливі - можливість довгого зберігання; г) не суттєві для функціонування - зовнішній вигляд, колір, Очевидною є відносність такої ознаки класифікації, бо значимість певних властивостей технічних систем дуже залежить від конкретних обставин.

Надзвичайно важливою є класифікація властивостей за фізичною сутністю. Виділяють такі властивості:

а) геометричні - габарити, симетрія, форма, міжосьова відстань;

б) кінематичні - швидкість, прискорення;

в) механічні - міцність, пружність, прогин;

г) теплові - нагрів, теплопровідність, теплоізоляція;

д) електричні і магнітні - ємність, напруга, опір, індуктивність;

є) оптичні - фокусна відстань, поляризація;

ж) акустичні - шум, звукова частота;

з) хімічні - концентрація, корозія, хімічна активність.

Така класифікація наочно демонструє різноманітність технічних систем і відповідає структурі областей знань.

Жодної із наведених систем класифікацій властивостей технічних систем недостатньо для повної характеристики властивостей. В зв'язку з цим з точки зору методології конструкторської діяльності побудована класифікація властивостей за потребою в конст-рукторській роботі. Відповідні запитання розкривають сутність наведених категорій, а приклади властивостей полегшують розуміння такої класифікації.

3.2 Співвідношення між особливостями технічних систем

Для отримання сукупної оцінки технічних систем необхідно отримати співвідношення між її властивостями. Алгоритм передбачає визначення кількісних співвідношень у випадку існування причинного або іншого зв'язку між властивостями. Якщо ж такого зв'язку не вдається встановити, то здійснюється аналіз належності властивостей до того чи іншого ієрархічного рівня співвідношення властивостей і формується відповідна інформація (повідомлення) для подальшого дослідження.

Властивості і їх загальні співвідношення вивчаються природничими науками та в техніці, де їх зображають або формулами, або словами. Для здійснення бажаної дії конкретної технічні системи, загальні співвідношення в ній часто недостатньо. На практиці їх часто конкретизують стосовно до конкретних умов. Так, наприклад, для розповсюдження тепла існують формули переносу тепла, які називають теплопровідністю, випромінюванням і конвекцією. Які ж співвідношення мають місце, коли ми поміщаємо предмет у нагрівальну піч? Конструктор при цьому повинен володіти значним досвідом у цій області, який дозволив би правильно оцінити конкретні умови в розглядуваній ситуації. Особливості виробництва враховують поправочними коефіцієнтами в загальних формулах.

Дуже складні співвідношення між властивостями можна виразити засобами матричного числення, математичними символами. Аналітичні залежності при вивченні співвідношенні, дозволяють також формувати чисельні апарати математичної логіки і статистики.

Важливо оцінити і співвідношення між категоріями властивостей. У готового виробу внутрішні елементарні властивості (конструктивні і технологічні) є визначальними для зовнішніх властивостей, які визначають в свою чергу економічні властивості. Складність ще більше зростає з врахуванням співвідношень між властивостями на нижчих рівнях.

Для визначення властивостей і їх співвідношень використовують такі методи і прийоми: 1) вимірювання; 2) експертні оцінки; 3) моделювання; 4) обчислення;

5) порівняння; 6) визначення оптимального рівня властивостей.

Кількісне визначення властивостей технічних систем, які знаходяться в експлуатації, можна встановити шляхом вимірювання. Це професійні операції, які мають свої відповідні робочі методики. Особливий підхід потрібний при тривалих вимірюваннях, наприклад, при визначенні терміну служби деталей.

Певну складність представляє експертна оцінка, величин, що вимірюються. Якщо, наприклад, про технічні системи сказано, що вони є ремонтопридатними, то ця оцінка повинна бути підкріплена такими аргументами, як простота визначення відмови, доступність деталей, швидкість ремонту і т.п.

Моделювання набагато складніше від вимірювання фізичної реальності. Модель - це опис реальної техніческих систем чи процесу доступними фізичними чи математичними засобами. Співвідношення між моделлю і оригіналом регламентуються законами подібності. В залежності від засобів моделювання розрізняють: прості моделі, які відтворюють оригінал в двох чи трьохвимірному просторі; аналогові моделі, які подібні з оригіналом за деякими функціональними властивостями; символічні моделі, які зображують властивості оригіналу з допомогою слів чи математичних символів.

...