Функции и основные части технической системы

 

Основные свойства иерархических систем.

1) Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами.

Входя в систему элемент  теряет свое исходное качество. Системное  качество как бы забивает проявление собственных качеств элементов. Но полностью это не происходит никогда. Химические соединения имеют системные физико-химические свойства, но также и сохраняют свойства входящих в них элементов. На этом основаны все методы анализа состава соединений (спектральный, ЯМ, рентгеновский и т. д.). Чем сложнее иерархическая структура (организация) системы, тем выше ее индивидуальные качества, тем четче они выступают в надсистеме, тем менее она связана с другими элементами (системами) надсистемы. На более низких уровнях происходит упрощение элементов (системам не нужны "сложные" вещи, нужна простая полезная функция). В результате этого вещи утрачивают свою самобытность, конкретную индивидуальность, становятся безразличными к своей вещественной индивидуальной форме.

Утрата индивидуальности - это цена, "заплаченная" элементами за приобретенную ими способность выражать отдельные стороны системных связей в иерархии. (Как в обществе: человек на производстве не субъект, не неповторимая индивидуальность, не творец своих обстоятельств, он функция, объект, вещь).

Это свойство иерархических систем является причиной распространенного вида психинерции изобретателя: он видит одно (главное, системное) свойство элемента и не видит множества его прежних индивидуальных свойств.

2) Диктат верхних  уровней над нижними - основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство).

Самый нижний уровень  иерархии - рабочий орган или его  рабочая часть, зона, поверхность (в  каждой подсистеме свой рабочий орган). Поэтому все управляющие воздействия (сигналы) и энергия обязательно доходят до рабочего органа, заставляя его функционировать строго определенным образом. В этом смысле РО самый подчиненный элемент системы. Напомним, что его роль при синтезе ТС прямо противоположна: он диктует структуру для выполнения ГПФ.

Часто диктат верхних  уровней простирается еще ниже рабочего органа; что находится ниже РО? - изделие. Технические системы ("для своего удобства") диктуют какие должны быть изделия. Это "стремление" техники  изменить окружающую среду "под себя" ошибочно, оно свойственно лишь современной, во многом неуклюжей и грубой, техники. Особенно четко видно несоответствие (несогласованность) технических систем ("правильных", "стандартных") с природными объектами ("неправильными"), с ремесленно-художественными изделиями человека.

Примеры.

Главная полезная функция  железнодорожного транспорта - объем  перевозок. Поэтому во многих странах  ведутся исследования по выведению  квадратных помидоров (Болгария), арбузов (Япония), картофеля, моркови, свеклы, огурцов  и ананасов ("Знание - сила", 1983, № 12, с. 32). Кубические овощи и фруктов легче упаковывать и перевозить.

В США выпускается  яичная "колбаса". Яйца разбиваются, центрифугированием отделяют белок  от желтка, формируют при замораживании "колбасу" (в центре желток), если нужна яичница - отрезай ломтик. С точки зрения повышения ГПФ (транспортировки яиц) задача решена.

А.с. 1 132 905: (БИ, 1985, № 1). Способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке (рис. 8): картофель  режут, сдвигают и срезают кожуру снизу; затем поворачивают на 180 град., выравнивают и срезают снизу, и т.д. до тех пор, пока не очистят всю картофелину.

  
Рис. 8. Способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке (а.с. 1 132 905).

Из французского юмора ("Изобретатель и рационализатор", 1984, № 8, 3 с. обложки): "Хочу предложить вашей фирме свое последнее изобретение. Это автомат для бритья. Клиент опускает несколько монет, просовывает голову в отверстие и две бритвы автоматически начинают брить его.  
- Но ведь у каждого человека индивидуальное строение лица...- В первый раз - да!"

3). Нечувствительность  верхних этажей к изменениям  на нижних и наоборот, чувствительность  нижних к изменениям на верхних.

Изменения на уровнях  веществ и подсистем низшего  ранга не отражаются на системном  свойстве (качестве) ТС-НС высших рангов. Пример.  
Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась ГПФ, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично. Это положение имеет важное следствие для изобретательства. Допустим, возникла задача обеспечения эффективного теплоотвода от работающего трансформатора в ламповом телевизоре (потребляемая мощность 400 Вт). Изобретатель может долго и различными путями искать способ теплоотвода, придумывать новые подсистемы, увеличивать установочную мощность трансформатора для снижения температуры нагрева и т.д. Однако, если подняться на этаж выше (блок питания), то задача может быть решена совершенно иным способом (например, импульсный режим питания), а при изменении на верхнем этаже (например, замена ламповой схемы на транзисторную) может вообще исключить эту задачу - в ней просто отпадет необходимость (мощность снизится, допустим, до 100 Вт).

4). Отфильтровывание (выделение) полезных функций  на уровнях иерархии. Правильно организованная иерархическая структура выделяет на каждом этаже полезную функцию, эти функции складываются (взаимоусиливаются) на следующем этаже; при этом вредные функции на каждом этаже подавляются или, по крайней мере, к ним не добавляются новые.

Основной вклад в ГПФ образуется на нижних этажах, начиная с рабочего органа. На последующих уровнях происходит более или менее существенное дополнение (усиление) полезной функции. С увеличением количества этажей рост ГПФ замедляется, поэтому системы с большим количеством иерархических уровней неэффективны (расходы по МГЭ начинают превышать выигрыш в ГПФ). Самый верхний уровень иерархии выполняет обычно только согласовательные функции, таких уровней не должно быть больше одного.

Чем выше уровень иерархии, тем мягче структура, менее жесткие связи между элементами, легче переставлять их и заменять. На нижних уровнях более жесткая иерархия и связи; структура строго определена требованием выполнения ГПФ. Нельзя, например, поставить в тепловой трубе фитиль снаружи корпуса, параметры работы фитиля и его структура жестко заданы; на верхних же этажах, где функция - перераспределение теплоты, рециркуляция, регулирование и пр., возможны самые радикальные перестановки.

4. Организация

4.1. Общее понятие.

Задача ТРТС - раскрытие закономерности синтеза, функционирования и развития технических систем. Организация - важнейший элемент во всех трех периодах существования системы. Организация возникает одновременно со структурой. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.

Французский биолог 18 в. Бонне писал: "Все части, составляющие тело, настолько непосредственно  многоразлично и многообразно связаны  друг с другом в области своих  функций, что они неотделимы друг от друга, что родство их предельно тесно и что они должны были появиться одновременно. Артерии предполагают наличие вен; функции как тех, так и других предполагают наличие нервов; эти предполагают в свою очередь наличие мозга, а последний - наличие сердца; каждое отдельное условие - целый ряд условий" (Гнеденко Б.В. и др. За советом в природу. М.: Знание, 1977, с. 45).

Организация возникает, когда между элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени  связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие ограничиваются, гасятся, маскируются. Полезные свойства трансформируются в процессе работы в функции - действия, поведение.

Главное условие возникновения организации - связи между элементами и/или их свойствами должны превышать по мощности (силе) связи с несистемными элементами.

С возникновением организации  снижается энтропия в возникшей  системе по сравнению с внешней  средой. Внешняя среда для ТС - это чаще всего другие технические системы. Так что энтропия - это ненужная для данной ГПФ (потребности) организация ("чужая" организация).

Степень организованности отражает степень предсказуемости  поведения системы при осуществлении  ГПФ. Абсолютная предсказуемость невозможна, или возможна только для неработающих ("мертвых") систем. Полная непредсказуемость - когда системы нет, дезорганизация. Сложность организации характеризуется числом и разнообразием элементов, числом и разнообразием связей, числом уровней иерархии.

Сложность организации  возрастает при развертывании ТС и уменьшается при свертывании  организация, как бы, "загоняется" внутрь вещества. При развертывании на полезно-функциональных подсистемах, отрабатываются принципы организации (условия взаимодействия, связи и функции), затем организация переходит на микроуровень (функция подсистемы выполняется веществом).

4.2. Связи.

Связь - это отношение  между элементами системы.

Связь - реальный физический (вещественный или  полевой) канал для передачи Э (энергии), В (вещества), И (информации); причем информации нематериальной не бывает, это всегда Э или В.

Главное условие работы связи - "разность потенциалов" между  элементами, то есть градиент поля или  вещества (отклонение от термодинамического равновесия - принцип Онзагера). При градиенте возникает движущая сила, вызывающая поток Э или В:

• градиент температуры - поток теплоты (теплопроводность),
• градиент концентрации - поток вещества (диффузия),
• градиент скорости - поток импульса,
• градиент электрического поля - электрический ток,

а также градиенты  давления, магнитного поля, плотности  и т.д.

Часто в изобретательских задачах требуется организовать поток при градиенте "не своего" поля. Например, поток вещества (нитиноловых  пустотелых шариков) при градиенте  температуры - в задаче о выравнивании температуры по глубине бассейна.Основные характеристики связи: физическое наполнение и мощность. Физическое наполнение - это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность - интенсивность потока В или Э. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше пороговой - уровня шума внешней среды.

Связи в системе могут  быть:

• функционально необходимые - для выполнения ГПФ,
• вспомогательные - увеличивающие надежность,
• вредные, лишние, избыточные.

По типу соединения связи бывают: линейные, кольцевые, звездные, транзитные, разветвленные и смешанные.

Основные виды связей в технических системах:

	1. Элементарные
	а) односторонняя (полупроводниковая),
	б) рефлексивная (возникающая под действием внешней причины),
	в) селективная (отсеивающая ненужные потоки),
	г) запаздывающая (с задержкой по времени),
	д) положительная (увеличивающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	е) отрицательная(уменьшающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	ж) нейтральная (безразличная к направлению),
	з) нулевая,
	и) проектируемая (желаемая).
	2. Комбинированные.
	л) двусторонняя (полностью проводящая),
	м) контрсвязь (пропорционально зависимая от состояния элементов, между которыми осуществляется связь; например, полюса магнита или потенциалы источника тока),
	н) положительная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи увеличивается мощность другой), механизм взаимной стимуляции функций, ведет к нарастанию процессов;
	о) отрицательная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи уменьшается мощность другой), стабилизирующий механизм, ведет к устойчивому равновесию или к колебаниям вокруг точки равновесия,
	п) двойная отрицательная обратная связь, или обратная связь типа взаимного угнетения (при уменьшении мощности одной связи уменьшается также мощность другой), ведет к неустойчивому равновесию, кончающемуся усилением одной из сторон и подавлением другой.

При использовании комбинированных  связей у системы появляются новые свойства. Рассмотрим, например, систему из двух элементов с отрицательной обратной связью:

При увеличении потенциала А мощность положительной связи 1 возрастает, что приводит к увеличению потенциала Б. Но отрицательная связь 2 подавляет потенциал А. Система быстро приходит в состояние устойчивого равновесия. При обрыве связи 1 потенциал А увеличивается без подавления со стороны Б. При обрыве связи 2 потенциал А увеличивается и одновременно увеличивается потенциал Б (положительная связь).

В системе из трех элементов появляется еще более сильное качество.