Технические системы и их виды. Виды технических систем

Техническая система -- это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции

Смысл системного подхода при исследовании процессов развития в технике заключается в рассмотрении любого технического объекта как системы взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Линия развития представляет собой совокупность нескольких узловых точек - технических систем, резко отличающихся друг от друга (если их сравнивать только между собой); между узловыми точками лежит множество промежуточных технических решений - технических систем с небольшими изменениями по сравнению с предшествующим шагом развития. Системы как бы "перетекают" одна в другую, медленно эволюционируя, отодвигаясь все дальше от исходной системы, преображаясь иногда до неузнаваемости. Мелкие изменения накапливаются и становятся причиной крупных качественных преобразований. Чтобы познать эти закономерности, необходимо определить, что такое техническая система, из каких элементов она состоит, как возникают и функционируют связи между частями, каковы последствия от действия внешних и внутренних факторов, и т.д. Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей, что позволяет считать их единой группой объектов.

Каковы основные признаки технических систем? К ним можно отнести следующие:

системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,

системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;

элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;

каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

Поясним это простым примером. Допустим, необходимо составить фоторобот преступника. Перед свидетелем поставлена четкая цель: составить систему (фотопортрет) из отдельных частей (элементов), система предназначается для выполнения весьма полезной функции. Естественно, что части будущей системы не соединяются как попало, они должны дополнять друг друга. Поэтому идет длительный процесс подбора элементов таким образом, чтобы каждый элемент, входящий в систему, дополнял предыдущий, а вместе они увеличивали бы полезную функцию системы, то есть усиливали бы похожесть портрета на оригинал. И вдруг, в какой-то момент, происходит чудо - качественный скачок! - совпадение фоторобота с обликом преступника. Здесь элементы организованы в пространстве строго определенным образом (невозможно переставить их), взаимосвязаны, вместе дают новое качество. Даже если свидетель абсолютно точно идентифицирует по отдельности глаза, нос и т.д. с фотомоделями, то эта сумма "кусочков лица" (каждый из которых правильный!) ничего не дает - это будет простая сумма свойств элементов. Только функционально точно соединенные элементы дают главное качество системы (и оправдывают ее существование). Точно так же набор букв (например, А, Л, К, Е), соединившись только определенным образом дает новое качество (например, ЕЛКА).

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Таким образом, техническая система имеет 4 главных (фундаментальных) признака:

функциональность,

целостность (структура),

организация,

системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой.

Функционирование это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени.

Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину.

Совокупность (целостность) элементов и свойств неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели.

Если определение функции (цели) системы в какой-то мере зависит от человека, то структура - наиболее объективный признак системы, она зависит только от вида и материального состава используемых в ТС элементов, а также от общих законов мира, диктующих определенные способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре. В этом смысле структура это способ взаимного соединения элементов в системе. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления однозначно задают структуру.

Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.

"Формула" системы:

Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).

"Под идеальной системой понимается такая система, затраты на получение полезного эффекта в которой равны нулю. При этом под затратами понимается самый широкий круг понятий - энергия, материалы, занимаемое пространство... Понятие идеальной технической системы было выдвинуто Г.С. Альтшуллером. Образ идеальной системы позволяет сконцентрировать внимание разработчика только на ожидаемом полезном эффекте, лучше осознать, что требуется потребителю. Оценим, насколько эффективным может быть использование такого подхода к определению цели в практической деятельности.

Функциональный состав и свойства объектов таксона «технические системы». техническая система изобретательский творческий инженерный

В каждой ТС существует функциональная часть -- объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части -- сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

представляют собой целостную совокупность конечного множества со взаимодействующих материальных объектов

имеют условия штатной эксплуатации, предусмотренные их конструкцией

имеют модели управляемого предопределенного причинно-следственного поведения в пространстве достижимых равновесных устойчивых состояний

имеют целевые состояния, соответствующие состояниям исполнительной части объекта управления в ТС

имеют способность, находясь в целевых состояниях, самостоятельно выполнять потребительские функции

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур: 1). Корпускулярная. Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр. Рис. 3.1. Корпускулярная структура системы 2). "Кирпичная". Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост. Рис. 3.2. «Кирпичная» структура системы. 3). Цепная. Состоит из однотипных шарнирно связанных элементов. Примеры: гусеница, поезд. Рис. 3.3. Цепная структура системы. 4). Сетевая. Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения. Рис. 3.4. Сетевая структура системы. 5). Многосвязная. Включает множество перекрестных связей в сетевой модели. Рис. 3.5. Многосвязная структура системы. 6). Иерархическая. Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом системы более высокого ранга и имеет связи по "горизонтали" (с элементами одного уровня) и по "вертикали" (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка. По типу развития во времени структуры бывают:

1. Развертывающиеся . С течением времени при увеличении ГПФ растет количество элементов.
2. Свертывающиеся . С течением времени при росте или неизменном значении ГПФ количество элементов уменьшается.
3. Редуцирующие . В какой-то момент времени начинается уменьшение количества элементов при одновременном уменьшении ГПФ.
4. Деградирующие . Уменьшение ГПФ при уменьшении связей, мощности, эффективности.

3.2. Особенности развития технических систем Для развития реальных технических систем характерен многостадийный процесс. Статистические данные изменения тех или иных параметров больших технических систем отражают результаты одновременного воздействия факторов, обусловленных действием объективных законов. Графическое представление параметров технических систем может быть представлено семейством S-образных кривых. (Рис. 3.6.).
Рис. 3.6. Изменение во времени технических характеристик систем. Несмотря на индивидуальные особенности конкретных систем (летательные аппарат, двигатели, приборы), эта зависимость имеет характерные участки. На участке 1 идет медленное развитие системы. Участок 2 соответствует массовому применению. Наступает «зрелость» системы. На участке 3 темп развития системы спадает. Происходит старение системы. Затем развитие идет по следующей кривой. Каждая следующая кривая данного графика соответствует новому поколения технической системы. В книге В.И. Муштаева «Основы инженерного творчества» Приведены аналитические выражения, аппроксимирующие такой параметр самолетов, как его скорость. В недрах каждой предыдущей стадии зарождается последующая, жизнеспособность и эффективность которой всегда выше предыдущей. Особенности развития сложных систем заключаются в том, что каждая подсистема, входящая в систему, также проходит все три этапа развития. Поэтому S – образные кривые для сложных систем являются интегральными, состоящими из совокупности S – образных кривых всех входящих подсистем. При этом самая слабая подсистема, ресурсы которой исчерпаны первыми, обычно тормозит развитие всей системы. Поэтому дальнейшее совершенствование технической системы возможно только после ее замены. Пример в области самолетостроения. В 20-е годы исчерпала себя аэродинамическая концепция. Биплан с неубирающимся шасси и открытия кабина летчика. В 40-х годах скорость самолета ограничивалась неэффективностью воздушного винта при скорости около 700 км/час. Это дало развитие реактивной авиации. Приведенные выше кривые могут служить основой для разработки научно-обоснованной методики изучения процессов развития конкретных технических устройств. 3.3. Законы развития техники и ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) Первых законы развития технических систем были выявлены К. Марксом в работе «Нищета философии». Он писал: « Простые орудия, накопление орудий, сложные орудия, приведение в действие сложного орудия одним двигателем – руками человека. Приведение этих инструментов в действие силами природы; машины; система машин, имеющая двигатель, - вот ход развития машин». В результате статистического анализа патентного фонда Г.С. Альтшуллер разработал общую схему развития технических систем. В схеме указаны основные проблемы, трудности, конфликты, встречающиеся на разных уровнях и этапах развития, технические ошибки, допускаемые изобретателями при решении задач, а также правильные закономерные пути дальнейшего развития. Было также определено общее направление развития технических систем в направлении повышения уровня идеальности. Такой системный подход к развитию техники позволил разработать теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ).В основе ее лежит постулат: техническая система развивается по объективно существующим законам, эти законы познаваемы. Их можно выявить и использовать для сознательного, целенаправленного решения изобретательских задач. Законы развития технических систем классифицируются на 3 группы: статика, кинематика, динамика. Статические законы определяют жизнеспособность новых технических систем. Основными из них являются следующие законы: 1. наличие и хотя бы минимальная работоспособность ее составных частей; 2. сквозной проход энергии через систему к ее рабочему органу; 3. Согласование собственных частот колебаний (или периодичности) всех частей системы. Кинематика объединяет законы, характеризующие развитие систем независимо от конкретных технических и физических механизмов этого развития. 1. Всякая техническая система стремится к увеличению степени идеальности и степени динамичности: 2. Процесс развития неравномерен и проходит через стадии возникновения и преодоления технических противоречий: 3. Техническая система развивается только до определенного предела, становясь затем частью надсистемы; при этом развитие на уровне системы резко замедляется или совсем прекращается, заменяясь развитием на уровне надсистемы. Динамические законы отражают тенденции развития современных технических систем. 1. Развитие идет в направлении увеличения степени управляемости; 2. Развитие современных технических систем идет в направлении увеличения степени дробления, дисперсности рабочих органов. В особенности, типичен переход от рабочих органов на макро уровне к рабочим органам на микро уровне. Другой подход к законам развития технических систем предложили Меерович и Шрагин в книге «Законы развития и прогнозирования технических систем». Выделено 3 группы развития технических систем. Общие законы, законы синтеза систем и законы развития систем. Общие законы: 1. Развитие любой технической системы идет в направлении повышения уровня ее идеальности; 2. Составные части системы развиваются неравномерно – через возникновения и преодоления технических противоречий; 3. Исчерпав возможности своего развития, техническая система может вырождаться, консервироваться на определенном уровне, или ее рабочий орган становится подсистемой новой системы. Законы синтеза системы: 1. Автономная система должна состоять из четырех минимально работающих частей: рабочего органа, двигателя (источника энергии), трансмиссии и органа управления; 2. Связь через части системы и сами ее части должны обеспечивать свободный проход энергии через всю систему; 3. Управление системой может осуществляться воздействием на любую ее часть. Законы развития отражают условия и причины развития системы и формулируются следующим образом: 1. Согласования ритмики технических систем; 2. Динамизация рабочего органа (на макро- и микро уровнях); 3. Повышение числа управляемых связей; 4. Структурирование; 5. Переход в надсистему; 6. увеличение числа дополнительных функций. Постулаты ТРИЗ

1. Техника развивается по определённым законам.
2. Для решения изобретательских задач необходимо выявить и разрешить противоречия.
3. Изобретательские проблемы можно классифицировать и решить соответствующим методом.

Г. С. Альтшуллер пришел к выводу, что фундаментом будущей теории изобретательства должны быть законы развития технических систем. Альтшуллером была разработана система законов развития техники. Изобретательское и рутинное мышление Отличие изобретательского и рутинного (традиционного) мышления. При рутинном мышлении мы ищем компромисс . В изобретательском мышлении мы выявляем противоречие , лежащее в глубине проблемы. Углубляя и обостряя противоречие, мы определяем первопричины, породившие данное противоречие. Разрешая противоречие, получаем результат без недостатков. Структура и функции ТРИЗ Основные функции ТРИЗ

1. Решение творческих и изобретательских задач любой сложности и направленности без перебора вариантов.
2. Прогнозирование развития технических систем (ТС) и получение перспективных решений (в том числе и принципиально новых).
3. Развитие качеств творческой личности.

Вспомогательные функции ТРИЗ

1. Решение научных и исследовательских задач.
2. Выявление проблем, трудностей и задач при работе с техническими системами и при их развитии.
3. Выявление причин брака и аварийных ситуаций.
4. Максимально эффективное использование ресурсов природы и техники для решения многих проблем.
5. Объективная оценка решений.
6. Систематизирование знаний любых областей деятельности, позволяющее значительно эффективнее использовать эти знания и на принципиально новой основе развивать конкретные науки.
7. Развитие творческого воображения и мышления.
8. Развитие творческих коллективов.

Техническим объектом называют созданные человеком реально существующие устройство, способ, материал, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей.

Все технические объекты состоят из элементов, представляющих собой неделимые части целого. Если функционирование одного элемента технического объекта влияет на функционирование другого элемента, то такие технические объекты (в отличие от агрегатов) принято называть техническими системами (ТС).

Техническая система – это совокупность взаимосвязанных элементов технического объекта, объединенных для выполнения определенной функции, обладающая при этом свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных элементов.

Типы технических систем.

Элементы, образующие техническую систему, только относительно неделимые части целого. Например, деревообрабатывающий станок включает много сложных частей: станину, механизмы главного движения, подачи, базирования, регулирования, настройки, управления и приводы. В то же время в системе ″деревообрабатывающий цех″ с большим количеством разнообразных станков отдельный станок можно считать элементом, т. е. неделимым целым. В связи с этим по отношению к системе ″станок″ ″деревообрабатывающий цех″ называют надсистемой , а выше перечисленные части станка – подсистемами. Для любой системы можно выделить подсистему и надсистему. Для системы ″механизм главного движения станка″ части корпус подшипников, вал, режущий инструмент будут подсистемами, а станок – надсистемой. Некоторые системы выполняют по отношению к данной системе противоположные функции. Их называют антисистемами. Например, надводный корабль и подводная лодка, двигатель и тормоз – это объекты, функционирующие наоборот.

Идеал технических систем.

Технические системы развиваются по закону прогрессивной эволюции. Это значит, что в системе каждого поколения улучшаются критерии развития до приближения их к глобальному экстремуму. Каждая техническая система стремится к своему идеалу, когда ее параметры веса, объема, площади и т.п. приближаются к экстремальным. Идеальная техническая система та, которой как бы нет, а функции ее выполняются в полном объеме сами по себе. Закономерность идеальности ценна тем, что она подсказывает, в каком направлении должна развиваться эффективная техническая система. Принято считать систему идеальной, если она имеет одно или несколько из следующих свойств:

1. Размеры системы приближаются или совпадают с размерами обрабатываемого или транспортируемого объекта, а масса системы намного меньше массы объекта. Например, в древности сыпучие материалы хранили и транспортировали в глиняных сосудах, сейчас в мешках.

2. Масса и размеры технической системы или ее главных функциональных элементов должны приближаться к нулю, а в предельном случае равны нулю, когда устройства нет, а необходимая функция выполняется. Например, деление древесины на части выполняется пилой. Но вот появились лазерные установки для этих целей. Режущего инструмента как бы нет, но функции его выполняются.

3. Время обработки объекта стремится или равно нулю (результат получается сразу или мгновенно). Основной путь реализации этого свойства – интенсификация процессов, сокращение числа операций, совмещение их в пространстве и во времени.

4. КПД идеальной системы стремится к единице, а расход энергии – к нулю.

5. Все части идеальной системы выполняют без простоев полезную работу в полной мере своих расчетных возможностей.

6. Система функционирует бесконечно длительное время без простоев и ремонта.

7. Система функционирует без участия человека.

8. Идеальная система не оказывает вредного влияния на человека и окружающую среду

1

Разработана методика моделирования объектных моделей сложных технических систем. Методика основана на классификации технических систем. Рассмотрены существующие системы классификации по виду, по составу технических систем. Сделан вывод о том, что существующих систем классификации недостаточно для построения методики моделирования сложных технических систем. Предложена классификация технических систем по структуре ее элементов, включающая три типа структур: парковая, сетевая и линейная. Рассмотрена методика построения объектной модели технических систем, имеющих сетевую и линейную структуру. Методика построения объектных моделей позволяет учитывать особенности инфраструктуры функционирования технической системы, взаимосвязь комплексов технических систем, а также структуру того оборудования, которое используется в комплексах технических систем.

техническая система

классификация технических систем

структура технической системы

1. ГОСТ 27.001-95 Система стандартов «Надежность в технике».

2. Кириллов Н.П. Признаки класса и определение понятия «технические системы» // Авиакосмическое приборостроение. – 2009. – № 8.

3. ОК 005-93 Общероссийский классификатор продукции.

4. ПР 50.1.019-2000 Основные положения единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации и унифицированных систем документации в Российской федерации.

5. Хубка В. Теория технических систем. – М.: Мир, 1987. – 202 с.

В задачах проектирования систем автоматизации управления организационно-техническими системами (ОТС) важное место занимает задача моделирования технической части таких систем. Разнообразие видов технической составляющей ОТС, сложность ее структуры требует разработки общих подходов к моделированию технических систем.

Формулировка термина техническая система (ТС) зависит от поставленной задачи . Базовым элементом систем автоматизации управления ОТС является информационная среда, в которой содержатся сведения о структуре технической системы. Поэтому при моделировании технических систем для решения задач автоматизации ОТС можно ограничиться следующим определением: «Техническая система это взаимосвязанная совокупность технических объектов, предназначенная для выполнения определенных функций». Здесь технический объект это любое изделие (элемент, устройство, подсистема, функциональная единица или система), которое можно рассматривать в отдельности .

Классификация технических систем

Разработку моделей технических систем целесообразно подчинить набору правил, что позволит упорядочить процесс создания модели и повысить качество моделирования. Важнейшим из таких правил является использование классификация технических систем как основы построения модели технической системы. Наличие классификации технических систем позволяет идентифицировать вид структуры сложной технической системы, что позволяет провести декомпозицию системы в соответствии с типовой структурой.

Классификация с точки зрения состава технических систем

Рассмотрим существующие системы классификации технических систем. Все технические объекты, которые производятся на предприятиях, имеют классификационные признаки в соответствии с Единой системой классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК) . Основной целью классификации в системе ЕСКК является упорядочение информации об объектах, что обеспечивает совместное использование этой информации различными субъектами. Из классификаторов, представленных в ЕСКК, для задачи моделирования технических систем наибольшее значение имеет общероссийский классификатор продукции (ОКП) , который содержит перечень кодов и наименований иерархически классифицированных групп видов продукции.

Для задачи моделирования структуры технической системы наибольший интерес представляет классификация по уровню сложности технической системы . Выделены следующие уровни сложности:

I. Конструктивный элемент, деталь машины.

II. Узел, механизм.

III. Машина, прибор, аппарат.

IV. Установка, предприятие, промышленный комплекс.

При разработке классификации технических систем необходимо учитывать принципы разделения изделий на части, которые приняты в Единой системе конструкторской документации. ГОСТ 2.101-68 «Виды изделий» определяет изделие как предмет или набор предметов, изготовляемых на предприятии, и делит изделия на следующие виды:

• Детали - изделия, не имеющие составных частей.
• Сборочные единицы — изделия, состоящие из нескольких частей.
• Комплексы — два или более изделия предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Сравнивая классификации по уровню сложности и по видам изделий, можно сделать следующие выводы:

• Обе классификации выделяют в качестве простейшего объекта деталь.
• Понятие сборочная единица соответствует как понятию узел, так и понятию машина (прибор, аппарат).
• Понятия промышленный комплекс (установка) и комплекс как вид изделия отражают одинаковое свойство - объединение частей в единое целое.

Объединяя классификацию по уровню сложности, видам изделий и по видам продукции, введем следующие элементы классификации по составу технической системы:

• Техническая система это совокупность технических объектов, выполняющих определенную функцию, соответствующую цели ее создания.
• Оборудование - изделие, представляющее собой продукцию.
• Узел - часть изделия, собираемая по сборочному чертежу.
• Деталь - часть оборудования или узла, выполненная из однородного материала, изготавливаемая по детальному чертежу.
• Комплекс оборудования - два и более оборудования, предназначенных для выполнения общих функций.

Узел и деталь являются элементами оборудования, а комплекс - это объединение оборудований. Объединение оборудований в комплексы может разделяться по уровням объединения - комплекс верхнего, среднего и нижнего уровня.

Рис. 1. Иерархическая структура технической системы

Классификация с точки зрения структуры технической системы

Техническая система как составная часть организационно-технической системы может быть отнесена к одному из следующих структурных представлений:

• Списочная (парковая) структура однородных объектов, между которыми отсутствует взаимодействие. Каждый объект выполняет свою функцию.
• Сетевая структура технической системы - совокупность технических объектов, между которыми есть взаимодействие. Для такого типа структуры необходимо описание не только самих технических объектов, но и описание элементов инженерной сети, через которую происходит взаимодействие технических объектов;
• Структура линейной технической системы.

Примерами парковой структуры являюется автопарк или парк оборудования предприятия. Примером сетевой структуры являются система теплоснабжения города, включающая центральную тепловую станцию (ЦТС), совокупность тепловых пунктов (ТП) и тепловые сети для передачи теплоносителя от ЦТС к ТП и от них к жилым домам.

Примером структуры линейной технической системы является железнодорожный путь, который формируется рядом локальных и линейных инженерных сооружений - верхним строением пути, состоящим из рельсов, шпал, скреплений и балласта, и искусственными сооружениями.

Сетевая структура технической системы отличается от парковой структуры наличием сетевой компоненты, обеспечивающей взаимосвязь элементов. Это позволяет рассматривать парковую структуру является частным случаем сетевой структуры.

Моделирование структуры технических систем

Задачей моделирования структуры технической системы является отображение структурных свойств технической системы, описание отдельных ее подсистем и элементов. В зависимости от целей проекта автоматизации одна и та же техническая система будет представлена разными моделями. Отличие моделей технической системы будет заключаться в полноте и детальности описания структурных свойств технической системы. Полнота описания ТС определяется той частью комплекса технических объектов, которая будет учтена в модели ТС. Детальность описания ТС определяется тем уровнем иерархии, вплоть до которого будут учтены элементы ТС.

Объектная модель технической системы

Базовой моделью технической системы является ее объектная модель. Объектная модель ТС технической системы отображает ее структуру и должна отвечать на вопрос: «Из каких частей состоит каждый элемент технической системы?». Использование принципа деления целого на части определяет иерархический характер объектной модели технической системы.

Рассмотрим проблемы построения объектной модели для сетевой и линейной технической системы.

Объектная модель сетевой технической системы

Построение объектной модели основано на анализе следующей технической документации:

• Схема расположения комплексов технической системы и экспликации к ней.
• Эксплуатационная документация на каждый вид оборудования, используемый в технической системе.
• Техническая документация на сетевой комплекс.

Схема расположения позволяет определить положение элементов технической системы по отношению к элементам инфраструктуры функционирования технической системы. Для технической системы, расположенной в черте города, положение объектов указывают по отношению к улицам и домам. Для технической системы, расположенной на промышленном предприятии, положение объектов указывают по отношению к номеру цеха и номеру ячейки в данном цехе, которые образованы опорными колоннами. Могут быть использованы и другие способы указания положения объектов по отношению к элементам инфраструктуры функционирования ТС. На схеме расположения указываются комплексы технической системы, элементы сети, обеспечивающие взаимодействие комплексов и элементы инфраструктуры функционирования технической системы. Пример схемы расположения дан на рис. 2. На схеме представлена техническая система, состоящая из 4-х комплексов технических средств (КТС 1, 2, 3, 4), и физическая сеть, объединяющая КТС в единую систему. Сетка {A, B, C, D; 1, 2, 3, 4}служит для позиционирования элементов технической системы в системе функционирования технической системы.

На основе анализа модели уровня технической системы необходимо выделить:

• Виды комплексов технической системы.
• Виды элементов инженерных сетей.

Виды комплексов технических систем определяются по критерию одинаковой внутренней структуры. Для каждого вида комплекса технической системы необходимо построить свою модель, в которой отображаются комплексы технической системы нижнего уровня и те виды оборудования, которые используются в данном комплексе.

Рис. 2. Схема расположения комплексов технической системы

Рис. 3. Объектная модель комплекса технической системы

Так как каждый вид оборудования имеет свою внутреннюю структуру, то для каждого вида оборудования необходимо построить свою модель, в которой это оборудование разделено на узлы и детали.

Завершающим этапом разработки модели сетевой технической системы является разработка модели инженерных сетей. На этапе анализа схемы расположения технической системы и экспликации к ней необходимо выделить виды технических объектов, которые использованы для построения инженерной сети ТС. Рассмотрим модель инженерной сети на примере трубопроводной сети, основные элементы которой представлены на схеме.

Отличительной особенностью трубопроводной сети, является то, что часть ее элементов (трубы, соединительные элементы) изготавливаются по монтажной схеме, а часть (арматура) является определенным видом оборудования. Однако в большинстве случаев, разрабатывать модель внутренняя структура арматуры не требуется.

Рис. 4. Объектная модель оборудования

Рис. 5. Объектная модель сетевой структуры технической системы

Объектная модель линейной технической системы

Особенностью линейной технической системы является использование технических объектов для формирования инфраструктуры. Рассмотрим проблемы создания объектной модели распределенной технической системы на примере железнодорожного пути.

Железнодорожный путь - сложный комплекс линейных и сосредоточенных инженерных сооружений и обустройств, расположенных в полосе отвода. Основным элементом железнодорожного пути является рельсовая колея, которая образована из рельсов, шпал, скреплений и других элементов, которые вместе составляют верхнее строение пути. Верхнее строение пути укладывают на земляное полотно. В местах пересечения железнодорожного пути с реками, оврагами и другими препятствиями верхнее строение пути укладывается на искусственные сооружения. К важным устройствам железнодорожного пути относят стрелочные переводы, так как вся сложная структура железнодорожных путей основана на их разделении (соединении), которое происходит в стрелочном переводе.

Технической системой является совокупность железнодорожных путей, представляющих единое целое - инфраструктурную часть железной дороги как целостную часть организационно-технической системы. В действительности в инфраструктурную часть железной дороги кроме железнодорожного пути входят и устройства электроэнергетики, сигнализации и связи. Однако структурообразующим элементом инфраструктуры железной дороги является железнодорожный путь.

С геометрической точки зрения железнодорожный путь представляет собой сеть, состоящую из узлов и дуг. Дугами являются участки железнодорожного пути между двумя узлами. Узлами являются объекты, соединяющие несколько участков железнодорожного пути.

Схема расположения железнодорожных путей представляет собой совокупность узлов и дуг, каждый из которых имеет уникальное имя.

Рис. 6. Схема расположения объектов линейной технической системы

Для представления элементов линейной технической системы необходимо представить иерархическую структуру объектов, которая в совокупности образует эту систему. Если ограничиваться только основными элементами, то модель инфраструктурной части железной дороги может быть представлена на следующей схеме (рис. 7).

Рис. 7. Модель объектов железной дороги

Рельсы, шпалы, скрепления являются изделиями (деталями), которые собираются на специализированных предприятиях в технологические комплексы, которые затем укладываются в железнодорожный путь. Такими комплексами могут быть: рельсошпальная решетка, в которой с помощью скреплений соединены два рельса и необходимое число шпал; рельсовая плеть - сваренные воедино несколько рельсов. Элементы стрелочных переводов также изготавливаются на предприятиях как детали и собираются в единый технический объект в месте установки. Искусственные сооружения представляют собой сложные инженерные сооружения, которые строятся по специальным проектам. Модель искусственного сооружения разрабатывается по тем же правилам, что и модель оборудования.

Заключение

Технические системы часто имеют сложную структуру, что требует структурного подхода к их моделированию. Моделирование технических систем должно основываться на типизации технических систем и на анализе структурных свойств как технической системы в целом, так и ее отдельных элементов. Центральным элементом модели технической системы является оборудование как изделие, которое производится на предприятии.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;

Федосенко Ю.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Информатика, системы управления и телекоммуникации», ФГБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 28.07.2014.

Библиографическая ссылка

Запорожцев А.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8-6. – С. 1288-1294;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34755 (дата обращения: 04.03.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Виды описаний технических систем.

Как указывалось более высокое, для того, чтобы получить наиболее полное описание сложной технической системы, его необходимо производить из разных позиций. Из множества аспектов описаний целесообразно выделить пять основных и наиболее потребляемых, а именно:

1) конструкционное, 2) функциональное, 3) кибернетическое, 4) временное и

5) технологическое.

Остальные аспекты, например экономический, эстетичный, эргономичный и другие, могут использоваться для составления описаний, которые имеют специальное назначение.

В соответствии с вышеупомянутыми аспектами выделим пять основных видов описаний (рис. 1.4) и рассмотрим их особенности.

Конструкционное описание должно давать представление о строении (структуре) системы, ее форме (конфигурации), материалах, из которых изготовляются части системы, веществах, используемых как рабочие тела (рис. 1.5).

Структура сложной системы, что рассматривается при конструкционном описании, есть, как правило, иерархической по составу; при этом связи, используемые для описания структуры, характеризуют взаимное положение подсистем, а также их принадлежность к тому или другому уровню иерархии. Разбивка системы на уровне может производиться исходя из конструктивных или технологических рассуждений. Например, до одного уровня могут принадлежать все агрегаты двигателя, к другому - сборочные единицы, к третьему - детали.

Основным традиционным способом описания формы (конфигурации) технических систем является использование эскизов, чертежей, словесных описаний. Создание автоматизированных систем проектирования затребовало разработку специальных языков и методов цифрового описания форм разных геометрических поверхностей, взаимного положения элементов конструкций и т. п., пригодных для введения информации в ЭВМ.

Методы конструкционного описания систем обычно стандартизируют в той или другой форме. Стандартизация осуществляется в рамках Единственной системы конструкторской документации (ЕСКД.)

Конструкционное описание не дает представления о свойствах системы в процессе тех работ, для выполнения которых она должна использоваться . Для этих целей необходимое функциональное описание , которое состоит из описаний последовательности состояний системы под воздействием надсистем (или внешней среды) и описаний процессов, которые определяют эти состояния .

Основным способом описания процессов, которые имеют место в системе, есть их разложение на элементарные, например процессы масо и теплообмена, превращения энергии в соответствии с физическими законами. Это внутренний способ функционального описания. Внешним способом является представление процессов либо в виде семейства характеристик функционирования, либо в виде совокупности численных значений параметров системы, соответствующих одному ее состоянию. Характеристиками функционирования называются зависимости численных значений параметров системы от показателей, которые определяют ее состояние в процессе функционирования . Скоростные характеристики нагрузок двигателя - типичный пример характеристик его функционирования.

В общем случае состояние системы в заданный момент времени t определяется параметрами, которые характеризуют ее внешние связи, начальное состояние при t = t0, а также отрезком времени D t = t – t0 .

Состояние двигателя в процессе его функционирования обычно называют режимом работы. Двигатели могут работать в разных режимах:

стационарному (постоянному),

нестационарному (переходному), вынужденного вращения и др.

Для стационарных режимов работы состояние двигателя определяется параметрами, которые характеризуют состояние рабочих тел: воздуха, топлива, масла и воды (при водяном охлаждении) - на входе и внешней среды - на выходе из двигателя, а также параметрами, которые определяют состояние потребителя энергии (привычно это мощность и частота вращения коленчатого вала). Для нестационарных режимов состояние двигателя определяется дополнительно параметрами, что характеризуют начало и время переходного процесса.

Знание характеристик функционирования необходимо для исследования систем, для прогноза их поведения в разных ситуациях, а также для сравнения систем между собой . В частности, сравнение с системой, принятой за эталон, нередко используется для определения степени кондиционности исследуемой системы.

Для осуществления функционального описания какой-либо подсистемы необходимо выделить ее из системы, задав внешние связи, и определить ее состояние. Структура функционального описания ее как информационной системы обычно носит иерархический характер. Возможное наличие всех трех видов иерархий:

по управлению, составлю глубине описания.

Число уровней иерархии зависит от целей, для осуществления которых складывается описание, и объема наших знаний о системе.

На рис. 1.6 представленный фрагмент структуры функционального описания системы.

В связи с тем, что особенности функционирования технических систем во многом определяются законами и средствами управления ими, целесообразно выделить отдельный аспект описанию - кибернетический, целью которого является выявление структуры управления, а также характеристик функционирования системы в процессе управления.

Управление системой может быть внешним - со стороны надсистеми, внутренним - за счет одной из подсистем, несущей функции

управление, или комбинированным - со стороны надсистем с использованием подсистемы управления. Системы, которые имеют внутреннее управление, получили название автоматических.

В общем случае можно выделить четыре ровные иерархии по управлению (рис. 1.8). На самом нижнем уровне иерархии находится так называемое прямое управление, осуществляемое для поддержки в стабилизированном состоянии заданного режима работы системы. Система управления, соответствующая следующему уровню иерархии, позволяет анализировать состояние управляемой системы при изменении действий на нее, например, со стороны внешней среды, находить оптимальное управление в соответствии с заданным алгоритмом управления и реализовать его с помощью соответствующих регуляторов и исполнительных механизмов. Это - система оптимального управления. На высшем уровне находится система адаптивного управления, позволяя автоматически в процессе управления вносить коррективы в алгоритм оптимального управления.

И, наконец, при необходимости управления несколькими системами возможное использование комплексного управления, особенностью которого является наличие дополнительных функций взаимной координации работы управляемых систем.

Очевидно, что техническую систему, в структуре системы управления которой есть уровни оптимального адаптивного и иногда комплексного управлений, можно считать кибернетической.

Способы построения характеристик функционирования объектов в процессе управления имеют многих общего со способами построения характеристик функционирования при функциональном описании систем, поэтому на этом мы не будем останавливаться отдельно.

Можно считать, что всякая техническая система в соответствии с признаком изменчивости склонна к законам развития, определяемых общими законами технического прогресса. "Развитие систем, сопровождаемое изменением их свойств, структуры, сферы применения и др., должно отображаться времени им описанием. С помощью временного описания можно проследить все стадии развития, например, дизельных двигателей от первого, построенного Г. Дизелем, к современным. Необходимость временного описания становится особенно острой при прогностических исследованиях.

Временное описание системы может быть также привязано ко всем этапам ее создания (рис. 1.9). В этом случае оно может использоваться для целей планирования, определения сроков модернизации систем, изменения базовых моделей и др.

Для того, чтобы систему изготовить, необходимо не только конструкционное, но и технологическое описание . Строго говоря, технологическое описание является описанием только данной технической системы, это, прежде всего описание результатов функционирования производственной системы, в пределах которой данная система изготовляется. Но если учесть, что в большинстве случаев конструкция технической системы и особенности ее функционирования определяются технологией производства, становится очевидной необходимость включения технологического описания в круг аспектов описания систем.

Технологическое описание должно включать описание технологических операций обработки материалов, из которых изготовляется система, технологии испытаний подсистем и всей системы и т.д. Технологическое описание должно выполняться в соответствии с Единственной системой технологической документации (ЕСТД).

Лекция 3. Показатели качества системы .

Использование в полном объеме средств конструкционного, функционального, кибернетического и других видов описаний, как правило, малоудобно для целей контроля и управления системами, а также для сравнения последних между собой. В связи с этим возникла необходимость применения более компактной формы описания систем в виде совокупности численных значений параметров, определенных для какого-либо одного (например, номинального) или нескольких состояний системы.

Число параметров сложной системы, характеризуя ее свойства, может быть достаточно большое, в принципе бесконечно. Вместе с тем можно выделить существенно меньшую группу важнейших из них, с достаточной полнотой характеризуя способность системы обеспечивать свойства тех надсистем, в состав которых она входит. Представители этой группы параметров получили название показателей качества.

Все множество показателей качества можно разделить на:

1) показатели, которые непосредственно характеризуют свойства системы,

2) показатели, которые характеризуют свойства других систем, перенесенные на данную систему.

Первую группу показателей можно, в свою очередь, разделить на следующие подгруппы:

1) показатели, которые определяют основные технические свойства системы, например такие, как мощность, приемистость, надежность, масса двигателя;

2) эргономичные показатели, например, характеризуя вибрацию, шум, дымность выхлопа двигателя;

3) эксплуатационно-экономические показатели, которые есть, например, оценку расходов на топливо, масло, обслуживание двигателя в процессе его эксплуатации;

4) эстетичные показатели, например, характеризуя пропорциональность форм, гармоничность и целостность конструкции двигателя.

Среди показателей, которые характеризуют свойства других систем, можно также выделить отдельные подгруппы:

1) показатели производственно-технологические, характеризуя трудоемкость изготовления систему, степень использования материалов;

2) показатели производственно-экономические, например такие, как себестоимость и цена двигателя; показатели стандартизации и некоторые показатели унификации, характеризуя количество элементов, общих с другими системами.

Для обеспечения необходимой полноты, надежности и удобства описания систем желательно, чтобы используемые в виде показателей качества параметры были достаточно простые в определении, давали наглядное и адекватное представление о тех свойствах, для оценки которых они назначены, имели хорошую чувствительность к изменению этих свойств и были стойкие к случайным препятствиям в процессе их определения (измерение) . В связи с этим выявление номенклатуры показателей качества является не совсем простой задачей. Часто для отбора минимального числа показателей качества используют специальные методы, например метод экспертных оценок.

За применение показателей качества вместо полного описания системы приходится платить погрешностью, определяемой неполнотой информации, что заключается в каждом показателе. Очевидно, что чем меньшее число показателей качества, тем эта погрешность более высокая.

Показатели качества могут характеризовать одно или несколько свойств системы. В первом случае они называются единичными показателями качества, во втором - комплексными. Если свойства системы в целом оцениваются одним показателем, то этот показатель называется определяющим показателем качества (ГОСТ 1547-79). Иногда в литературе определяющий показатель качества системы называют показателем ее эффективности.

Достаточно часто используют относительные показатели, которые являются отношением показателей качества данной системы и системы, принятой за эталон. Совокупность относительных показателей качества характеризует уровень качества (технический уровень) системы.

Целые системы .

Всякое описание технической системы можно считать неполным, если не рассматривать степень удовлетворения ее свойств потребностям систем высшего порядка и, в конечном итоге, - общества. Обеспечение совокупной потребности общества можно считать основной конечной целью создания какой-нибудь системы или, проще говоря, основной целью системы .

Потребность общества, формируемая на уровне технических систем определенного типа, должна удовлетворяться по трем тесно связанным друг с другом категориям:

1) качества,

2) количества,

3) номенклатуре этих систем.

В частности, потребность общества в двигателях внутреннего сгорания должна удовлетворяться качеством каждого двигателя, номенклатурой двигателей и количеством двигателей каждого наименования.

Если не знать, насколько эта потребность удовлетворяется, то все рассмотренные выше аспекты описания не будут иметь существенного значения, поскольку мы не сможем сказать о системе самого главного: хорошая она или плохая, целесообразное ее использование или нет.

Потребность общества в технических системах распадается на потребности внутреннего и внешнего рынков сбыта, потребность внутреннего рынка - на потребности отраслей народного хозяйства, потребность каждой отрасли - на потребности отдельных потребителей и т.д. В связи с этим основную (конечную) цель системы можно разбить на составляющие, так называемые подцели, те - на еще более мелкие подцели и т.д. В результате выходит иерархическая структура целей, которую иногда называют деревом целей (рис. 1.10).

Разбивка цели системы на подцели производится для того, чтобы через составляющие логически связать эту цель со средствами ее достижения. Дерево целей, как правило, строится сверху вниз - от основной цели к подцелям, а обеспечение целей, очевидно, должно осуществляться от к верху низа. Сначала обеспечиваются цели самого низкого уровня, потом с их помощью (они являются как бы средствами достижения) - цели ближайшего верхнего уровня и т. д., пока не будет достигнута основная цель.

В связи с тем, что качество системы есть совокупность ее свойств, которые обусловливают удовлетворение целей ее создания или применения, показатели качества несут в себе как бы две функции:

во-первых, они позволяют описать целые системы,

во-вторых, с помощью численных выражений оценить степень удовлетворения этих целей.

Целые создания системы могут формулироваться по-разному:

1) приобрести наилучшие (оптимальные) свойства (качество);

2) приобрести наилучшие свойства при наличии ограничений, например на человеческие, материальные, денежные ресурсы и время;

3) приобрести заданные свойства.

Пусть основной целью, что стоит при проектировании системы, есть получение свойства f , измеряемого с помощью показателя качества F . Тогда, чтобы получить наилучшее качество, необходимо создать такую конструкцию системы или обеспечить такие условия ее функционирования, при которых показатель F примет оптимальное значение.

Учитывая, что оптимизация систем - очень важная и серьезная проблема, целесообразно остановиться на некоторых понятиях оптимизации, которые пригодятся нам при последующем изложении.

Основные понятия оптимизации.

Слово «критерий» греческого происхождения, его можно перевести как «мерило оценки». Если с помощью какого-либо критерия развязывается задача оптимизации, то мы имеем дело с критерием оптимума (оптимизации). Рассмотренный выше критерий F является критерием оптимума.

При решении некоторых задач оптимизации на математических моделях не всегда удается вести сравнение вариантов по выбранному критерию оптимума. Иногда его не удается выделить в явном виде и приходится находить другие параметры, которые побочно характеризуют изменения; иногда оценка ведется по функции, в которую входит этот критерий.

В теории исследования операций функция, по которой ведется оценка, степени оптимума решения на математической модели, получила название критериальной, или целевой, функции. Целевая функция не совпадает с критерием оптимума при использовании методов штрафных функций, при решении многокритериальных задач и т.д.

Есть еще одно отличие критерия оптимума от целевой функции. Критерий оптимума может не иметь математической формулировки, а состоять из понятий, представленных на словесном, содержательном уровне. Целевая функция всегда имеет математическую формулировку.

Могут существовать разные случаи оптимальных решений.

1. Целевая функция может иметь один или несколько экстремумов. Наибольший (наименьший) из экстремумов называется глобальным экстремумом максимумом (минимумом). В зависимости от числа экстремумов целевые функции называют одно- или многоэкстремальными (иногда – уни- или полиномами).

2. Оптимальное значение целевой функции достигается внутри или на границах допустимой области. Локальный экстремум, что лежит на грани допустимой области, называется условным максимумом или минимумом (рис. 1.13).

Выбор критериев оптимума и формирования областей допустимых решений осуществляется на основе анализа целей системы. Приведем пример. Пусть необходимо создать двигатель для повода генератора (1-я цель), обеспечивающий максимальную мощность (2-я цель) при заданных предельных габаритах (3-я цель). Тогда критерию оптимума может быть принята как величина эффективной мощности на номинальном режиме (при частоте вращения двигателя, ровной частоте вращения ротора генератора), а область допустимых решений будет определяться ограничениями на частоту вращения и конструктивные размеры двигателя.

В связи с существованием множества целей при оптимизации какой-нибудь системы может быть использовано множество критериев для оценки оптимума. Представителей этого множества называют частными, или локальными, критериями.

Если оптимизация системы ведется по единственному критерию, что характеризует ее основные (с точки зрения надсистеми) свойства, то такой критерий называют глобальным .

Если в процессе оптимизации технической системы принимают участие критерии, которые оценивают свойства подсистем, которые принадлежат разным уровням иерархии, то эти критерии целесообразно называть локальными , или частными, критериями итого уровня иерархии.

Оптимальная система .

Для того, чтобы выявить лучшую систему из имеющегося множества систем, необходимо назначить критерий оптимума и сравнивать его значения, полученные для каждой из систем множества . При прочих равных условиях оптимальной будет та система, у которой величина критерия будет иметь экстремальное значение . Будет ли такая система наилучшей во всех аспектах? Нет, поскольку одним критерием нельзя полностью описать систему. Для того, чтобы оптимизировать систему по свойствам, не охватываемым выбранным критерием, нужно вводить другие критерии оптимума, то есть перехаживать к многокритериальной задаче оптимизации, а решить последнюю объективно и однозначно, как правило, невозможно.

При существовании нескольких критериев оптимума обычно невозможно найти решение, что доставляют экстремум всем им одновременно. Объясним это на следующем упрощенном примере оптимизации двигателя по

двух критериях оптимума.

Пусть первый критерий есть эффективная мощность двигателя на номинальном режиме Ne, второй - наработку двигателя на отказ Т. Будем рассматривать варианты двигателя, отличные только частотой вращения коленчатого вала на номинальном режиме. Пусть характер изменения этих критериев будет таким, как на рис. 1.14, где экстремальные точки обозначены звездочками. Из рисунка видно, что максимальная наработка на отказ Т* достигается при частоте вращения коленчатого вала п1, а максимальная мощность Ne - при п2. Наилучшего варианта системы (то есть двигателя), при котором одновременное Т = Т* и Ne = N*e, в нашей задаче, очевидно, быть не может.

Из приведенного примера выходит, что всякое решение по выбору наилучшего варианта при числе критериев оптимума больше одного, как правило, будет компромиссным. Что же прячется в приведенном выше определении оптимума за выражением «множество возможных систем».

Если при поиске оптимального решения в однокритериальной задаче варьируемый параметр изменяется в диапазоне а £ х £ b, то можно перебрать тем или иным способом все его значения и тем самым найти экстремум критерия оптимума . Когда же мы рассматриваем варианты конструктивных идей и хотим спроектировать техническую систему, оптимальную по конструктивной идее, что лежит в ее основе, то у нас даже теоретически нет возможности перебрать все решения, потому что число показателей, которые характеризуют конструктивную идею, неопределенно, и может быть бесконечным. Отсюда ясно, что в строгом значении оптимальную систему, а следовательно, и оптимальную систему ДВС создать нельзя.

Вместе с тем чтобы отличать двигатели и их системы от других, создаваемых традиционными способами, будем называть оптимальным двигателем (системой) такой (такую), над которым произведенная процедура оптимизации в одиночку или нескольким критериям, которые входят в число показателей качества.

Относительность оптимума .

В связи с вышеизложенным понятие оптимального решения не является абсолютной категорией, оно справедливое только при условиях, обусловливаемых при постановке задачи оптимизации. Прежде всего, выбор оптимального варианта существенно зависит от того, что принимается как критерия оптимума и ограничений.

Должно быть очевидным, что если при оптимизации двигателя с заданной системой ограничений критерия оптимума принять как эффективную мощность, то мы получим один набор конструктивных оптимальных параметров, если двигатель оптимизировать по удельной затрате топлива, - другой, и, наконец, если двигатель оптимизировать по тяговым свойствам, - третий.

Приведем такой пример. Допустим, при постановке задачи оптимизации дизеля заданной мощности как ограничение назначенное предельное значение ресурса к капитальному ремонту R = 5000 ч. Вероятно, что в результате проведенной операции оптимизации двигателя мы будем иметь конструкцию быстроходного двигателя. Если же при прочих равных условиях задать значение предельного ресурса R = 100 000 ч, то мы получим как оптимальный тихоходный двигатель или выявим, что поставленная задача не имеет решения (если есть ограничение на габариты и массу двигателя).

В многокритериальных задачах результаты выбора оптимального решения еще в большей степени зависят от постановки задачи, поскольку необходимо задать дополнительно правило выбора оптимальных решений - принцип оптимума.

Из сказанного выше следует, что всякая оптимизация относительна, и, употребляя термин «оптимальная система», необходимо обусловливать, при каких условиях обеспечивается оптимум .

Классификация моделей .

Моделирование является могучим средством научно-технического познания, в процессе которого исследуется не сам объект, а некоторая промежуточная система (естественная или искусственная), способная давать информацию о познаваемом объекте в необходимом для исследователя аспекте исходя из тех задач, которые стоят перед ним .

Моделирование настолько глубоко внедрилось в технику, что часто мы не замечаем, что имеем дело с моделями. В настоящее время какой-нибудь технический объект, ранее чем он будет воплощен в металле, проходит стадии, если можно так выразиться, модельного существования в виде:

чертежей, расчетов, макетов, опытных установок и др.

И фактически проектируется не сам объект, а его модели, которые потом после соответствующих превращений реализуются в виде объекта.

Будем понимать под моделью технической системы А ее описание, составленное на каком-либо языке, или другую техническую систему В, способную замещать систему А в том или другом аспекте в процессе ее проектирования, исследования или управления ею .

Всякую систему можно моделировать бесконечным множеством способов. Это множество определяется и ограничивается,

во-первых, целями системы,

во-вторых, целями моделирования,

в-третьих, техническими средствами для построения моделей, и, наконец, творческими способностями их творцов, которые располагаются.

Использование моделей удобно по многим причинам:

1) с моделью легче обращаться;

2) о модели чаще всего мы можем знать больше, чем об оригинале;

3) модель позволяет получить представление о крайних ситуациях, в которых может очутиться система, без опасности для оборудования или жизни людей;

4) модель, как правило, значительно более дешевое, чем оригинал, и ее использование позволяет экономить время.

Сегодня однозначно можно сказать, что системный подход невозможный без широкого применения моделирования. Модели в основном необходимы для выполнения таких работ, как исследование законов функционирования систем с учетом их взаимосвязей с внешним окружением;

прогнозирование поведения систем или их свойств в заданных ситуациях и прогнозирование ситуаций, что интересуют;

выбор и оптимизация параметров и характеристик функционирования систем;

управление проектированием, производством и эксплуатацией систем.

Исследовательские задачи, разрешимые с помощью моделирования, можно разделить на четыре группы:

прямые задачи анализа, в которых определяется реакция системы с заданной структурой и свойствами на действии на нее;

обратные задачи анализа, в которых по известной реакции системы с известной структурой и свойствами определяются возмущения, которые вызывали эту реакцию;

задачи синтеза, требуя нахождения структуры системы и ее параметров, которые обеспечивают получение заданных свойств;

индуктивные задачи, решения которых необходимо для проверки гипотез, уточнений описаний системы, выявления определенных свойств системы.

Все модели можно разделить на абстрактные и материальные. Абстрактными будем называть модели, которые являются описаниями , а модели, реализованные в виде технических, кибернетических или комбинированных систем, - материальными .

Абстрактные модели являются информационными системами; они не могут существовать без материальных носителей информации . Среди абстрактных моделей можно выделить: словесные модели (например, описания конструкции двигателей, инструкции по эксплуатации), графические модели (чертеж) и, наконец, математические модели, которые используют для целей описания преимущественно языки математических символов.

С другой стороны, существуют абстрактные модели систем и абстрактные модели операций над системами. Последние будем называть операционными моделями , они служат для выполнения разных операций, производимых как над абстрактными, так и над материальными моделями .

Операцию над моделью, можно считать самой моделью , если операционную модель представить как модель функционирования сложной надсистеми, в которую входят та система, над которой производится операция, и система, что производит операцию , - человек, ЭВМ или человеко-машинная система.

Материальные модели делятся на физические и аналоговые.

Физические модели имеют одинаковую с моделируемой системой физическую природу процессов . В аналоговых моделях реальные процессы, которые имеют место в моделируемой системе, замещаются процессами другой физической природы, что имеют общие закономерности с реальными процессами .