3.1. Общее определение ТС 3.2. Функциональность

3.2.1. Цель-функция_ 3.2.2. Потребность-функция_ 3.2.3. Носитель функции 3.2.4. Определение функции 3.2.5. Иерархия функций

3.3. Структура

3.3.1. Определение структуры 3.3.2. Элемент структуры 3.3.3. Типы структур 3.3.4. Принципы построения структуры 3.3.5. Форма 3.3.6. Иерархическая структура систем

3.4. Организация_

3.4.1. Общее понятие 3.4.2. Связи 3.4.3. Управление 3.4.4. Факторы разрушающие организацию 3.4.5. Значение эксперимента в процессе улучшения организации

3.5. Системный эффект (качество)

3.5.1. Свойства в системе 3.5.2. Механизм образования системных свойств

3.1. Общее определение тс

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. Поясним эти признаки подробнее.

В природе и обществе вес системно. Любая машина, живой организм, общество в целом или его отдельная часть — предприятие. фирма, офис, учреждение — представляют собой различные системы: технические, биологические, социальные, в том числе социально-экономические. Под системой обычно понимают комплекс взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность. Комплекс этот составляет особое единство со средой и является элементом системы более высокого порядка. Элементы любой системы, в свою очередь, выступают как системы более низкого порядка. Элементы в реальных системах — это фактические объекты, части, элементы и компоненты.

Многообразие технических, биологических, социальных, в том числе социально-экономических, систем может быть упорядочено, если их классифицировать, т е. разделить, а затем объединить по определенным признакам. Из множества способов классификации наиболее распространенной считают классификацию, приведенную на рис. 1.1.

По происхождению различают системы: а) естественные (природные), например: звездные образования, солнечная система, планеты, материки, океаны; б) искусственные, т е. созданные трудом человека (предприятия, фирмы, города, машины).

Искусственные системы могут быть, в свою очередь, по специфике содержания разделены на системы: технические, технологические, информационные, социальные, экономические, иные. Из числа последних выделяются такие системы, как отрасль, регион, предприятие, цех. участок и т.п.

По объективности существования системы могут быть: а) материальными (существуют объективно, т.е. независимо от сознания человека): б) идеальными («сконструированными» в сознании человека в виде гипотез, образов, представлений).

По степени связи с окружающей средой системы могут быть: а) открытыми: б) относительно обособленными: в) закрытыми: г) изолированными.

По зависимости от времени различают системы: а) статистические, параметры которых нс зависят от времени; б) динамические, параметры которых являются функцией времени.

По обусловленности действия системы бывают: а) детерминированными; б) вероятностными. В первых системах одной и той же причине всегда соответствует четкий, строгий, однозначный результат. В системах вероятностного типа одной и той же причине в одних и тех условиях может соответствовать один из нескольких возможных результатов. Пример вероятностной системы — цеховой персонал, который является на работу каждый раз в различном составе.

По месту в иерархии систем принято различать: а) суперсистемы; б) большие системы; в) подсистемы; г) элементы.

Среди систем, созданных природой, также выделяют: а) неживые; б) живые, в том числе человек. Системы, созданные человеком (антропогенные), могут быть подразделены на технические. человеко-машинные, социально-экономические.

К техническим системам относят системы, которые созданы человеком и наделены определенной функций или целью (например. здания, машины); к человеко-машинным — системы, в которых одним из элементов является человек, причем цель человек}’ ставит техническая система. Человека в технических системах называют оператором, так как он выполняет операции, которые требует от него обслуживание машины. Летчик в самолете, оператор за пультом ЭВМ. водитель в машине — вес это человеко-машинные системы. Социально-экономическими считаются системы, где человек ставит задачи (выдвигает цели) не только перед техническими системами, но и перед людьми, входящими в эти системы в качестве элементов. Отметим, что социально-экономические системы, могут содержать и технические, и человеко-машинные элементы.

С точки зрения науки об управлении социально-экономические системы (СЭС) представляют собой наиболее сложные объекты. Несмотря на богатый практический опыт управления такими системами, их теоретический аппарат находится на этапе становления и часто просто заимствуется из теории управления техническими системами.

Разнообразие форм не препятствует техническим, биологическим и социально-экономическим системам иметь ряд общих черт и закономерностей: они динамичны, характеризуются причинной связью отдельных элементов, наличием управляющей и управляемой подсистем и управляющего параметра, усилительной способностью (способностью существенно изменяться под влиянием самых малых воздействий), способностью хранить, передавать п преобразовывать информацию, обратной связью элементов, общей системой процессов управления и др.

Всем классам систем характерно наличие целого ряда общих свойств, среди которых уместно выделить следующие.

Свойство целостности . Все системы, будучи как обособленным целым делятся на элементы, существующие лишь в силу существования целого. В целостной системе элементы функционируют совместно, в совокупности обеспечивая процесс функционирования системы как целого. Первичность целого — основной постулат теории систем.

Свойство неаддитивности . Означает принципиальную не-сводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость свойств целого из свойств компонентов. Совокупное функционирование разнородных взаимосвязанных элементов порождает качественно новые функциональные свойства целого, не имеющего аналогов в свойствах его элементов.

Свойство синергичности . Предполагает, что однонаправленность действий элементов усиливает эффективность функционирования системы, и наоборот. Другими словами, для любой системы имеется такой набор элементов, при котором ее потенциал всегда будет.либо существенно больше простой суммы потенциалов входящих в нее элементов (люди, техника, технология, структура и т.д.). либо значительно меньше. Эффект синергии элементов получается при отлаженном взаимодействии системы с внешней средой и элементов внутри системы.

Свойство эмерджентности . Означает, что цели элементов системы не всегда совпадают с целями системы. Например, отмечается различная ориентация деятельности работников инновационных служб предприятия и специалистов маркетинга.

Свойство взаимозависимости и взаимодействия системы и внешней среды . Система реагирует на воздействие последней, развивается под этим воздействием, сохраняя качественную определенность и свойства, которые обеспечивают ее относительную устойчивость и адаптивность функционирования.

Свойства непрерывности функционирования и эволюции . Система существует, пока функционируют все процессы. Взаимодействие элементов определяет характер функционирования системы как целого, и наоборот. Одновременно система обладает способностью к развитию (саморазвитию).

Свойство приоритета интересов системы более высокого уровня перед интересами ее элементов . Отдельный работник социально-экономической системы не может ставить свои интересы выше интересов данной системы.

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.

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.

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.

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.

Техническая система (ТС) - это структура, образованная взаимосвязанными элементами, предназначенная для выполнения определенных полезных функций. Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину Появление цели - это результат осознания потребности. Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а функция - реализация потребности в ТС. Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция - это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. Рабочий орган (РО) - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательные. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции. к рабочему органу "пристраивались" другие части, подсистемы, вспомогательные системы.

Рисунок 1. Полная принципиальная схема работающей ТС.
Пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность.

Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления определяют структуру. Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции. Структура, как правило, остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий. Следует различать два вида системных прибавок, получаемых при соединении элементов в структуру:
- системный эффект - непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов,
- системное качество - появление нового свойства, которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.

Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные - вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неохватность всех свойств и связей). С учетом иерархичности функций, ГПФ данной системы - это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления от иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной системой. То есть, ГПФ элемента определяется той системой, в которую он включается.

Чтобы точнее определить системный эффект (системное качество) данной ТС можно воспользоваться простым приемом: надо разделить систему на составные элементы и посмотреть, какое качество (какой эффект) исчезло. Например, отдельно ни одна из самолетных частей летать не может, как не может выполнить свою функцию и "усеченная" система самолет без крыла, оперения или управления. Это, кстати, убедительный способ доказательства, что все объекты в мире - системы: разделите уголь, сахар, иголку, - на каком этапе деления они перестают быть самими собой, теряют главные признаки? Все они отличаются друг от друга лишь продолжительностью процесса деления - иголка перестает быть иголкой при делении на две части, уголь и сахар - при делении до атома. По-видимому, так называемый диалектический закон перехода количественных изменений в качественные отражает лишь содержательную сторону более общего закона - закона образования системного эффекта (системного качества).

Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами неисчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента. Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, в зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента включенного в систему. Элемент - минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. Затем, по мере развития ТС идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применение разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа выделилась и развилась трансмиссия.

Связь - это отношение между элементами системы, это реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи энергии, вещества или информационных сигналов; причем сигналов нематериальных не бывает, это всегда энергия или вещество. 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 энергии или вещества. Основные характеристики связи: физическая реализация и мощность. Физическая реализация - это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность - интенсивность потока вещества или энергии. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше уровня шума внешней среды.

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 взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (это закладывается при формировании структуры). Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности. В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

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 .