Иерархия описания технических систем и технических объектов.

Каждый технический объект может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Во-первых, каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует технический объект по сравнению с предыдущим; во-вторых, каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Этими свойствами обладают следующие понятия:

потребность, или функция технического объекта;

техническая функция (ТФ);

функциональная структура (ФС);

физический принцип действия (ФПД);

техническое решение (ТР);

проект;

объект.

Символически иерархия этих описаний показана на рис. 1.

Рис. 1. Иерархия описаний ТО

Потребность – это общепринятое и краткое описание на естественном языке назначения технического объекта или цели его создания (существования). При описании потребности отвечают на вопрос: «Что (какой результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворять?»

Описание потребности формализовано можно представить в виде трех компонентов:

Р=(D, G, Н), (1)

где D – указание действия, производимого рассматриваемым ТО и приводящего к желаемому результату, т.е. к удовлетворению (реализации) интересующей потребности; G – указание объекта, или предмета обработки, на который направлено действие D; Н – указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие D.

Техническая функция (ТФ)

Описание технической функции содержит следующую информацию:

- потребность, которую может удовлетворить ТО;

- физическую операцию (физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуются потребности.

Таким образом, описание технической функциисостоит из двух частей:

F=(Р, Q), (2)

где Р – удовлетворяемая потребность, описываемая по формуле (3.1); Q – физическая операция.

Описание физической операции (ФО) формализованно можно представить состоящим из трех компонентов:

Q=(A_т, Е, С_т,), или Q=(A_т→E→C_т), (3)

где А_т,С_т – соответственно входной или выходной поток (фактор) вещества, энергии или сигналов; Е – наименование операции Коллера по превращению А_т в С_т.

Операции Колера:

1. Излучение – поглощение.

2. Проводимость – изолирование.

3. Сбор – рассеяние.

4. Проведение – непроведение.

5. Преобразование – обратное преобразование.

6. Увеличение – уменьшение.

7. Изменение направления – изменение направления.

8. Выравнивание – колебание.

9. Связь – прерывание.

10. Соединение – разъединение.

11. Объединение – разделение.

12. Накопление – выдача.

13. Отображение – обратное отображение.

14. Фиксирование – расфиксирование.

Функциональная структура (ФС)

Структура – упорядоченное множество элементов и их отношений. Подавляющее большинство технических объектов состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов), которые могут быть естественным образом разделены на части. Каждый элемент как самостоятельный объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию. Между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

Выделяют три типа функциональных структур:

Первый тип – конструктивная функциональная структура, когда элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом.

Эта структура представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами – функции элементов, описанные по формуле (1).

Второй тип – потоковая функциональная структура, т.е. взаимосвязанный набор физических операций, реализующих один определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов либо несколько взаимосвязанных потоков. Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования операций Коллера Е, а ребрами – входные Ат и выходные Ст потоки (факторы).

К третьему типу относят совмещенные функциональные структуры, у которых ребра могут быть представлены и функциями (1) и потоками (2). Например, в прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 200×200 мм, а на выходе – стальная лента толщиной 1 мм, шириной 2 м.

Описание физического принципа действия

Физическим принципом действия(ФПД) технической системы называется структура совместимых и объединенных физических эффектов, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия A₁ в заданный конечный результат (выходной эффект) С_n. Физический принцип действия дает описание технических объектов на физическом уровне и указывает, с помощью каких физических эффектов и явлений реализуются функции и подфункции в функциональной структуре. Принцип действия тоже представляет собой ориентированный граф, который строится на основе потоковой ФС, где для операции Коллера указывают реализующие их физические эффекты. Под ФПД будем понимать ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами – входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов.

Описание физико-технических эффектов

Работа любого технического объекта основывается на одном или нескольких определенным образом взаимосвязанных физических или (и) химических эффектах (законах, явлениях). Принято для краткости все эффекты и явления, используемые в техническом объекте, называть физическими или физико-техническими эффектами (ФЭ или ФТЭ).

Имеются несколько различных определений физико-технического эффекта. Приведем два наиболее характерных определения:

I. Под физико-техническим эффектом понимается результат воздействия одних физических объектов на другие, которое при заданных условиях взаимодействия приводит к вполне определенным изменениям значений обусловленных физических величин.

II. Под физико-техническими эффектамипонимаются различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах.

Наиболее обобщенное качественное описание физико-технического эффекта состоит из трех компонентов:

(А, В, С), или (А→ В→С), (4)

где А – входной поток вещества, энергии или сигналов; С – выходной поток; В – физический объект, обеспечивающий или осуществляющий преобразование А в С. Для входного А и выходного С потоков, так же как и для компонентов А_т, С_т в формуле (4), можно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики.