Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 2-е, исправленное и дополненное

Владимир Петров

2-е издание учебника посвящено системному изложению теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). В книге рассмотрены методы постановки и решения нестандартных задач, законы развития систем, вепольный анализ, способы выявления и разрешения противоречий, выявления и использования ресурсов.Материал иллюстрируется большим количеством примеров, задач и графического материала.Книга предназначена студентам, преподавателям, инженерам, изобретателям, ученым и людям, решающим творческие задачи.

Глава 4. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ

…понятие закона есть одна из ступеней познания человеком единства и связи, взаимозависимости и цельности мирового процесса.

Георг Вильгельм Фридрих Гегель

…эффективная технология решения изобретательских задач может основываться только на сознательном использовании законов развития технических систем

Генрих Альтшуллер

Рис. 4.0. Структурная схема ТРИЗ

Содержание главы 4:

4.1. Общие представления.

4.2. Закон S — образного развития систем.

4.3. Структура законов развития технических систем.

4.4. Законы организации технических систем.

4.4.1. Общие соображения.

4.4.2. Закон полноты частей системы.

4.4.3. Закон проводимости потоков.

4.4.4. Закон минимального согласования.

4.4.5. Построение новой системы.

4.5. Законы эволюции систем.

4.5.1. Общие сведения.

4.5.2. Закон увеличения степени управляемости.

4.5.3. Закон увеличения степени динамичности.

4.5.4. Закон перехода на микроуровень.

4.5.5. Закон перехода системы в надсистему

4.5.6. Закон увеличения степени согласованности.

4.5.7. Закон свертывания развертывания ТС.

4.5.8. Закон неравномерности развития частей системы.

4.6. Законы развития технических систем Г. С. Альтшуллера.

4.7. Прогнозирование развития технических систем.

4.1. Общие представления

Развитие любых объектов материального мира, природы, различных областей знаний, деятельности и мышления развиваются по своим определенным законам.

Законы носят объективный характер, выражая реальные отношения вещей, а также их отражение в сознании. Законы развития технических систем — это основа ТРИЗ.

Закон — внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение.

Выявлением закономерностей развития техники занимались достаточно давно [48], [64].

Первая система законов развития технических систем была разработана Г. С. Альтшуллером [19, С. 113—127]. Она будет описана в п. 4.6.

Ниже будут представлена система законов развития техники и методика прогнозирования, разработанные автором. Сначала представим общую систему законов.

Законы по виду общности могут быть:

— Всеобщие законы развития систем — это универсальные законы, справедливые для любой системы независимо от ее природы, вследствие единства материального мира.

— Общие законы развития систем, присущие для достаточно широкого класса систем, например, искусственных систем.

— Специальные законы развития систем, характерные для конкретного класса систем, например, технических систем.

К всеобщим законам мы относим самые общие из них:

— закон S—образного развития;

— законы диалектики.

К общим законам:

— законы развития потребностей;

— законы изменения функций.

К специальным законам — законы развития искуственных систем.

Наиболее общие из законов диалектики [48], [64], [80] следующие:

— закон перехода количественных изменений в качественные;

— закон единства и борьбы противоречий;

— закон отрицания отрицания.

Законы развития потребностей [48], [64], [80] определяют тенденции их изменения, знать которые необходимо для определения функций и систем, с помощью которых можно удовлетворить возрастающие потребности. Эти законы могут использоваться для прогнозирования новых потребностей.

Законы изменения функций [48], [64], [80] описывают тенденции их изменения. Они связаны с закономерностями развития потребностей, но имеют и свою специфику, например, переход систем к полифункциональным (многофункциональным — универсальным) или, наоборот, к монофункциональным (одно-функциональным — специализированным).

Техника развивается в тесном взаимодействии с общественным развитием и экосферой, вследствие чего наблюдаются значительное проникновение и обогащение законов развития общества, природы и техники. Например, развитие техники во многом зависит от потребностей общества и влияет на развитие природы.

Законы развития технических систем определяют критерии построения и развития техники.

В данной книге не будут рассматриваться законы диалектики, законы развития потребностей и законы изменения функций.

4.2. Закон S—образного развития систем

4.2.1. Общие представления

Любая система (в том числе и техническая) проходит несколько этапов своего развития. Эти этапы графически можно представить в виде кривой (рис. 4.1).

Рис. 4.1. S — образная кривая роста Где P — параметр системы, t — время.

В качестве параметра «P» могут быть, прежде всего, главные характеристики системы, например, размеры, скорость, мощность, производительность, количество проданных товаров, продолжительность жизни, количество популяций и т. д.

Вначале система развивается медленно (этап I), при достижении некоторого уровня развитие ускоряется (этап II) и после достижения некоторого более высокого уровня скорость роста уменьшается и в конечном итоге рост параметра системы прекращается (этап III).

Это этап сатурации, который может продолжиться очень долго. Иногда параметры начинают уменьшаться (этап IV) — система «умирает» (на графике это изображено пунктирной линией).

Подобные кривые часто называют S — образными или логистическими (логиста).

Развитие по S-образной кривой первоначально было открыто для биологических систем.

Для технических систем:

1. Этап I — «зарождение» системы (появление идеи вплоть до изготовления и испытания опытного образца).

2. Этап II — промышленное изготовление системы и доработка системы в соответствии с требованиями рынка.

3. Этап III — незначительное «дожимание» системы, как правило, основные параметры системы уже не изменяются, происходят «косметические» изменения, оптимизация параметров и доработка технологии изготовления, не существенные изменения внешнего вида или упаковки. На этом этапе происходит значительное расширение рынка сбыта и переход к массовому изготовлению.

4. Этап IV — параметры системы могут не изменяться или ухудшаться. Ухудшения могут вызываться несколькими фактами:

— следование моде, влияние экономической, социальной или политической ситуации, религиозные ограничения и т. п.;

— физическое и/или моральное старение системы.

Часто, на этапе IV система прекращает свое существование или утилизируется.

В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) развитие систем по S — образной кривой называют «Закон S — образного развития систем».

Для полноты картины рекомендуем самостоятельно рассмотреть и другие линии развития, связанные с S-образной кривой, которые были разработаны Г. С. Альтшуллером и рассмотрены в его работе: «Линии жизни» технических систем [19, С. 113—119].

4.2.2. Огибающие кривые

Прекращение роста данной системы не означает прекращение прогресса в этой области. Появляются новые более совершенные системы — происходит скачок в развитии. Это типичный пример проявления закона перехода количественных изменений в качественные. Такой процесс изображен на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Скачкообразное развитие систем

На смену системе 1 приходит 2. Скачкообразное развитие продолжается — появляются системы 3, 4 и т. д. (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Огибающая кривая

Общий прогресс в отрасли можно показать при помощи касательной к данным кривым (пунктирная линия) — так называемой огибающей кривой.

Развитие любого вида техники может быть примером, подтверждающим этот закон.

Пример 4.1. Развитие радиоэлектроники

Опишем качественные скачки в развитии радиоэлектроники:

1. радио (детекторный приемник).

2. лампа:

2.1. диод;

2.2. триод;

2.3. тетрод;

2.4. пентод и т. д.;

— транзистор;

— микросхема;

— вакуумная наноэлектроника.

График развития радиоэлектроники показан на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Развитие электроники

4.3. Структура законов развития технических систем

Законы развития технических систем можно разделить на две группы (рис. 4.5):

1. Законы организации систем (определяют работоспособность системы);

2. Законы эволюции систем (определяют развитие технических систем).

Рис. 4.5. Схема законов развития технических систем

1. Законы организации предназначены для построения новой работоспособной системы. Группа законов организации технических систем включает (рис. 4.6):

— закон полноты и избыточности частей системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования.

Рис. 4.6. Структура законов организации систем

2. Законы эволюции технических систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения. Основные законы эволюции технических систем (рис. 4.7):

— закон увеличения степени идеальности;

— закон увеличения степени управляемости и динамичности;

— закон перехода в надсистему;

— закон перехода на микроуровень;

— закон согласования;

— закон свертывания — развертывания;

— закон неравномерности развития частей системы.

Закон увеличения степени управляемости и динамичности систем имеет подзаконы:

— увеличение степени вепольности;

— увеличение управляемости веществом, энергией и информацией.

Рис. 4.7. Структура законов эволюции технических систем

Закон увеличения степени вепольности будет изложен в главе 5 (п. 5.6).

Увеличение управляемости веществом, энергией и информацией в данной книги не будет рассматриваться. Ознакомиться с ним можно в [80].

4.4. Законы организации систем

4.4.1. Общие соображения

Законы организации используются при разработке новых систем и представляют собой критерии их работоспособности. Работоспособность — это качественное выполнение главной функции системы.

Законы организации технических систем:

— закон полноты частей системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования всех элементов системы между собой, с надсистемой и внешней средой

Структура этих законов представлена на рис. 4.6.

4.4.2. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является обеспечение ее предназначения и наличие основных работоспособных частей системы.

Предназначение системы определяется ее главной функцией.

К основным частям системы относятся (рис. 4.8):

— рабочий орган;

— источник и преобразователь вещества, энергии и информации;

— связи;

— система управления.

Рис. 4.8. Основные элементы системы

Это минимально необходимый набор частей системы, который обеспечивает ее работоспособность.

Рабочий орган

Рабочий орган (иногда его называют «исполнительный элемент» или «инструмент») выполняет главную функцию системы. Именно рабочий орган непосредственно взаимодействует с изделием, для которого предназначена данная система.

Остальные части системы предназначены для обеспечения работоспособности рабочего органа.

Пример 4.2. Телефон

Телефон имеет два рабочих органа:

— микрофон;

— наушник.

Функция микрофона — преобразование звука в электрические колебания.

Функция наушника — преобразование электрических колебаний в звук.

Пример 4.3. Автомобиль

В транспортных системах рабочим органом является движитель.

Он существенно зависит от среды, в которой будет перемещаться транспорт.

Для перемещения по поверхности земли могут использоваться, например, колеса, гусеницы, лыжи (полозья), ноги и т. д.

Перемещение в воздухе или в воде может осуществляться, например, с помощью винта или реактивной струи воздуха, или воды, соответственно.

В автомобиле рабочий орган — это колесо.

Колесо имеет две функции: перемещать автомобиль и поддерживать его на определенном расстоянии от поверхности дороги.

Источник и преобразователь

Существуют разнообразные источники вещества, энергии и информации.

Имеются природные и искусственные источники вещества.

К природным источникам вещества можно отнести, например, полезные ископаемые, древесину и т. д., а к искусственным — полученные в результате направленной деятельности человечества.

Среди источников энергии можно назвать, например, солнце, ветер, электричество, топливо и т. д. Источники энергии могут быть внешние, внутренние и смешанные.

Источники информации могут быть:

— по виду поля: звуковые (акустические); электромагнитные, включающее электрическое и магнитное поля и весть спектр электромагнитных излучений (радиоволны, терагерцовые, инфракрасные — включая тепловые, видимый свет, ультразвуковые, рентгеновские и жесткие); вкусовые; запаховые; тактильные и т. д.;

— по виду хранения: наскальные, письменные (книги, журналы, газеты и т. д.), электронные (все виды запоминающих устройств, Интернет и т. д.), произведения искусств и т. п.

Известны различные преобразователи вещества, энергии и информации.

К преобразователям вещества можно отнести химические реакции, электричество (например, электролиз, гальванопластика и т. д.), нанотехнологии и т. д.

Среди преобразователей энергии можно назвать двигатели, генераторы, трансформаторы, выпрямители, преобразователи частоты, химические реакции и т. д.

Преобразователями информации служат компьютер, радио, телевизор, телефон и т. д.

Пример 4.4. Телефон

Источник вещества — разные металлы и пластмассы.

Преобразователь вещества — отсутствует.

Источник энергии — электричество.

Стационарный телефон имеет только внешний источник энергии — телефонная сеть. Радиотелефон и мобильный телефоны имеют внешний и внутренний источники энергии, т. е. смешанные источники. В трубке радиотелефона имеются аккумуляторы, а база присоединена к электрической сети. Мобильный телефон тоже имеет аккумулятор, который заряжается от электрической сети.

Преобразователь энергии — магнитное поле, пьезо — или магнитострикционный преобразователи.

Источник информации — звук (голос).

Преобразователь информации — телефон в целом.

Пример 4.5. Автомобиль

Источник вещества — различные вещества из которых сделан автомобиль и топливо.

Преобразователь вещества — двигатель.

Источник энергии — топливо.

Топливо имеется внутри автомобиля в бензобаке — внутренний источник энергии, который пополняется извне — заправочная станция (внешний источник).

Преобразователь энергии — двигатель. Он же является преобразователем вещества. Кроме того, в автомобиле имеется источники электрической энергии: аккумулятор и преобразователь механической энергии в электрическую — генератор. Пополнение электрической энергии осуществляется за счет вращения коленчатого вала.

Связи

Связи должны обеспечивать:

1) подвод необходимых и достаточных:

— веществ;

— энергии;

— информации.

2) организацию потоков (вещества, энергии и информации).

3) обеспечение системных свойств.

4) отсутствие вредных воздействий (вредных потоков):

— внутренние связи не должны осуществлять вредных воздействий между элементами системы (вредные потоки);

— внешние связи не должны осуществлять вредных воздействий системы на надсистему и окружающую среду и противостоять вредным воздействиям окружающей среды и надсистемы на систему (вредные потоки).

Связи можно разделить по признакам:

1. Уровень взаимодействия:

— внутренние связи;

— внешние связи.

2. Вид связи:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

3. Полезность:

— полезные связи;

— нейтральные связи;

— вредные связи.

4. Наличие:

— присутствующая связь;

— отсутствующая связь.

5. Временные характеристики:

— постоянная связь;

— временная связь;

— динамическая связь.

6. Вид контакта:

— контактные.

— бесконтактные.

Внутренние связи — это связи внутри системы. Один из видов внутренних связей — это сборка элементов системы в корпусе.

Внутренние связи в системе:

— создают структуру системы;

— обеспечивают функциональность системы за счет организации потоков;

— не должны создавать нежелательные и вредные воздействия в системе.

Внешние связи — это связи с надсистемой, включая изделие, для которого предназначена система, и связи с внешней средой. Внешние связи системы определяют работоспособность системы при взаимодействии с надсистемой и внешней средой и отсутствие отрицательных внешних воздействий на надсистему и окружающую среду.

Вещественные связи — это контактные связи, чаще всего механические, например, соединение деталей в корпусе, соединение проводов, труб, трансмиссии и т. д.

К энергетическим связям могут быть отнесены, например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы и т. д.

К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи.

Полезные связи обеспечивают выполнение полезных функций.

Нейтральные связи — это, как правило, лишние связи, не создающие полезной работы и не выполняющие полезных функций. Это избыточные связи, которые желательно устранить.

Вредные связи — это связи, создающие вредные действия (вредные функции). Этот вид связей необходимо устранять в первую очередь.

Отсутствующая связь. Бывают случаи, что при проектировании не учли какую-то полезную связь или после проектирования возникла необходимость в новой связи, а она не предусмотрена. Такую связь мы называет отсутствующей.

Постоянная связь — это связь, которая не меняется в процессе работы системы, например, связь элементов в корпусе.

Временная связь — это связь, которая со временем исчезает, например, стрела имеет связь с луком только во время прицеливания.

Динамическая связь — это связь, изменяющаяся во времени, например, в телефоне имеется связь с абонентом только во время разговора, потом она отключается. При необходимости эта связь может быть восстановлена. Практически в любом электронном приборе, транзистор подключает и отключает сигнал.

Контактные связи осуществляются с помощью веществ — вещественные связи (механические соединения, трубопроводы, провода и т. п.).

Бесконтактные связи осуществляются с помощью полей (весь диапазон электромагнитных излучений: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновские и гамма-излучения; электрическое и магнитное поля; звуковые поля и т. д.).

Приведем примеры связей.

Пример 4.6. Телефон

К вещественным связям относятся (например, различные механические соединения частей телефона, линии передачи). К энергетическим связям относятся (например, провода и кабели). К информационным связям могут быть отнесены (например, провода, по которым осуществляется передача голоса и управление, все виды беспроводной связи).

Внутренние связи. Все виды связей внутри телефона: механические крепления, провода и т. д. Внешние связи. Провода, соединяющие телефон и розетку, розетку и распределительный щит, кабели, связывающие распределительный щит и АТС, беспроводная связь и т. д.

Пример 4.7. Автомобиль

К вещественным связям относятся (например, различные виды механических соединений, креплений, трансмиссии). К энергетическим связям могут быть отнесены (например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы). К информационным связям могут быть отнесены (например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи).

Внутренние связи. Все механические крепления и передачи, электрические провода и т. д. Внешние связи. Связь колеса с дорогой, воздействие окружающей среды на автомобиль и т. д.

Система управления

Система управления обеспечивает функции контроля и управления объектом. Приведем примеры систем управления.

Пример 4.8. Телефон

Современный телефон имеет достаточно сложную систему управления, состоящую из клавишей ввода информации, процессора, памяти и т. п. Имеется отдельная система управления встроенными камерами.

Пример 4.9. Автомобиль

В систему управления автомобилем входят помимо рулевого управления и педалей, бортовой компьютер, осуществляющий управление всеми элементами автомобиля.

К основным частям системы можно отнести и корпус. Он не является минимально необходимым. Отдельные системы могут обходиться и без него, но большинство систем имеют корпус.

Приведем пример системы без корпуса.

Пример 4.10. Лампочка

При разработке необитаемой космической станции возникла задача размещения лампы — не достаточно места для ее размещения.

Затем вспомнили, что лампа будет работать в космосе. Следовательно, колба лампы не нужна и лампа без корпуса (колбы) свободно размещалась.

Существуют виды систем, где корпус является минимально необходимым, например, судно. В водоизмещающих суднах корпус выполняет функцию удержание на плаву.

Набор всех основных частей системы представлен на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Основные элементы системы

Разработка новой системы должна начинаться с определения всех системных свойств. Прежде всего, начинают с функциональности системы.

Полнота может быть функциональная и структурная.

Функциональная полнота должна обеспечивать главную функцию системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т. е. выполнять предназначение системы.

Функции

Пример 4.11. Телефон

Главная функция телефона — передавать звук.

Основные функции: обеспечение энергией и управлением.

Вспомогательные функции, например, иметь в памяти постоянные номера телефонов (адресная книга), определение номера звонившего и т. п.

Пример 4.12. Автомобиль

Главная функция транспортных систем — перемещение объекта на определенное расстояние.

Основные функции: обеспечение энергией и управлением.

Вспомогательные функции, например, обеспечение безопасности движения, обеспечение комфорта, возможность слушать радио и т. п.

Структурная полнота должна обеспечить наличие необходимых элементов и связей системы, т. е. выполнять другое требование системности — обеспечение состава и структуры системы.

Элементы и связи могут быть:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

Они должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество. Опишем в общем случае элементы.

Элементы

К вещественным элементам относятся, например, все механические части, в частности, корпус.

К энергетическим элементам относятся топливо, источники и преобразователи различных видов энергии.

К информационным элементам могут, например, относится элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

Пример 4.13. Телефон

К вещественным элементам относятся, например, микрофон, наушник, корпус и т. д. К энергетическим элементам относятся источники электрического тока. К информационным элементам могут, например, относится элементы системы управления, преобразования и передачи звука, АТС, линии передачи сигналов и т. п.

Пример 4.14. Автомобиль

К вещественным элементам относятся, например, все механические части, в частности, корпус, подвеска и т. п. К энергетическим элементам относятся топливо, топливный бак, двигатель, аккумулятор и т. д. К информационным элементам, например, относится элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

4.4.3. Закон проводимости потоков

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является проход потоков вещества, энергии и информации к требуемому элементу системы.

Вещества, энергия и информация должны проходить от исходного элемента к требуемому элементу, совершая необходимые преобразования и выполняя соответствующие полезные функции.

Создание правильных потоков обеспечивает необходимую функциональность и работоспособность системы. Отсутствие хотя бы одного жизненно-важного потока делает систему не работоспособной.

Потоки могут быть:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

Потоки

Вещественный поток обеспечивает транспортировку вещества в различных агрегатных состояниях (например, в твердом, гелеобразном, жидком и газообразном) или объектов. Транспортировка веществ может осуществляться, например, по трубопроводам, с помощью транспортеров и т. п., а объектов с помощью транспортных средств, например, по железной дороге, с помощью автотранспорта, судов, самолетов, эскалаторов, транспортеров и т. д.

Энергетический поток доставляет энергию от источника к требуемому элементу. Поток может, например, доставлять механическую, электрическую, химическую и другие виды энергии.

Информационный поток обеспечивает проход информации от системы управления к требуемым элементам и от них к системе управления. Информационный поток может осуществляться с помощью, например, проводов и всех видов беспроводной связи, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление.

Пример 4.15. Телефон

Энергетический поток — это доставка электрической энергии от источника к рабочим органам (наушнику и микрофону) и системе управления.

Информационный поток — это доставка сигналов к рабочим органам, системе управления и обратно.

Пример 4.16. Автомобиль

Вещественный поток, например, передача топлива от бензобака к двигателю.

Энергетический поток — это доставка механической энергии от двигателя к рабочему органу — колесам; доставка топлива от бензобака к двигателю; доставка электрической энергии от аккумулятора или генератора к электрической системе автомобиля.

Информационный поток — это доставка сигналов от необходимых элементов к системе управления и обратно и т. д.

Пример 4.17. Вещество в твердом состоянии

Пневматическая подача сыпучих веществ, например, песка на расстояние по трубопроводам, пескоструйка, доставка шариков и т. п.

В производстве бетона в бетономешалку подается потоки веществ в твердом состоянии (цемента, песка, гравия) и в жидком состоянии (воды).

Пример 4.18. Вещество в жидком состоянии

Водопроводы, сточные потоки, нефтепроводы, системы подачи жидкого топлива, молокопроводы и т. п.

Пример 4.19. Вещество в гелеобразном состоянии

Системы подачи масел и смазок, транспортировка крема на парфюмерных фабриках и т. п.

Пример 4.20. Вещество в газообразном состоянии.

Разнообразные пневматические системы и трубопроводы с жатым воздухом, системы подачи кислорода, например, в больницах, системы создания вакуума и т. д.

Пример 4.21. Транспортировка объектов

Объекты могут транспортироваться:

— по земле;

— под землей;

— по воде;

— под водой;

— воздушным путем;

— в космосе;

— внутри помещений;

— внутри объекта;

— и т. д.

Для этого используются все виды транспортных средств. Внутри помещений, например, используют эскалаторы, лифты, пневматическую почту и т. д.

4.4.4. Закон минимального согласования частей и параметров системы

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является минимальное согласование частей и параметров системы и системы с надсистемой.

Минимальное согласование проводится по функциям, структуре, соответствию структуры функциям и параметрическое согласование, обеспечивая необходимые взаимосвязи и взаимовлияния. Таким образом, согласование бывает:

— функциональное;

— структурное;

— функционально-структурное;

— параметрическое.

Функциональное согласование — это согласование функций между собой. Оно осуществляется при формировании функциональной модели для синтеза новых систем.

Функционально-структурное согласование — это соответствие структуры системы ее функциям, т. е. согласование структуры и функций.

Структурное согласование — это согласование элементов системы между собой. При этом выявляют их взаимосвязь и взаимовлияние друг на друга и на систему в целом, т. е. определяют соответствие этих элементов друг другу. Кроме того, согласовывают систему с надсистемой и внешней средой.

В минимальное согласование входит и параметрическое согласование.

Пример 4.22. Телефон

В первом телефонном аппарате Антонио Меучи (Antonio Meucci) микрофон и наушник были механически не связаны друг с другом и их подносили к уху и рту, поэтому это подходило для любого человека. Затем микрофон закрепили в корпусе, а наушник снимался, и его подносили к уху. Согласование ухудшилось, так как микрофон находился на определенной высоте, и кому-то было удобно, а кому-то — нет.

В дальнейшем создали трубку и расстояние между микрофоном и наушником стали рассчитывать на среднестатистического человека (расстояние между ухом и ртом). Поэтому для кого-то эта трубка была слишком большой, а для кого-то слишком маленькой. Это типичный пример не согласованности параметров (размера трубки и расстояния ото рта до уха).

В современных телефонах эту задачу решили с помощью чувствительности микрофона и громкой связи.

Пример 4.23. Телефон

Источник питания в телефоне согласуется со всеми элементами. На каждый из элементов подается необходимое для него напряжение. Согласование элементов системы (параметрическое согласование).

Пример 4.24. Телефон

В сотовых телефонах частота принимаемого и передаваемого сигнала согласована с частотой приемных и передающих устройств ретрансляторов. Согласование с надсистемой (параметрическое согласование).

4.4.5. Построение новой системы

Последовательность выбора элементов и связей системы:

1. Выбор вида рабочего органа. Он должен наилучшим образом выполнять главную полезную функцию.

2. Выбор источника и преобразователя вещества, энергии и информации. Они должны наилучшим образом обеспечивать работоспособность системы.

3. Выбор системы управления.

4. Выбор связей. Существенным образом зависит от выбранных элементов.

Перед выбором рабочего органа определяют цель разработки, потребность, которую необходимо удовлетворить и функции, способные выполнить эту потребность. На каждом из этапов, сначала выбирают принцип действия этого элемента, а затем уже сам элемент. Таким образом, выбирается концепция будущей разработки.

4.5. Законы эволюции систем

4.5.1. Общие сведения

Законы эволюции технических систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения.

Основные законы эволюции технических систем (рис. 4.7):

— закон увеличения степени идеальности;

— закон увеличения степени управляемости и динамичности;

— закон перехода в надсистему;

— закон перехода на микроуровень;

— закон согласования;

— закон свертывания — развертывания;

— закон неравномерности развития частей системы.

Закон увеличения степени идеальности является основным законом эволюции. Все остальные законы показывают способы достижения идеальности.

Закон увеличения степени управляемости и динамичности систем имеют подзаконы:

— увеличение степени вепольности;

— увеличение управляемости веществом, энергией и информацией.

Закон увеличения степени вепольности описан в п. 4.6.

Увеличение управляемости веществом, энергией и информацией в данной книги не будет рассматриваться. Он описан в [80].

4.5.2. Закон увеличения степени идеальности

4.5.2.1. Общие понятия закона увеличения степени идеальности

Г. С. Альтшуллер писал: «Понятие об идеальной машине — одно из фундаментальных для всей методики изобретательства».

Общее направление развития систем определяется законом увеличения степени идеальности. Это самый главный закон эволюции систем.

Г. С. Альтшуллер сформулировал это закон следующим образом:

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Автор пособия незначительно изменил эту формулировку.

Закон увеличения степени идеальности заключается в том, что любая система в своем развитии стремится стать идеальнее.

4.5.2.2. Виды степеней идеализации системы

Условно можно выделить четыре степени идеализации системы:

1. Появляться в нужный момент в нужном месте;

2. Самоисполнение;

3. Идеальная система — функция;

4. Функция становится не нужной.

Система должна появляться в нужный момент в нужном месте по необходимому условию.

Идеальная система должна появляться в нужный момент в необходимом месте по необходимому условию и нести полную (100%) расчетную нагрузку.

В остальное (не рабочее) время этой системы быть не должно (она должна исчезнуть) или выполнять другую полезную работу (функцию).

Нужное действие должно появляться в нужный момент в необходимом месте или при необходимом условии.

Приведем пример идеального воздействия (процесса), совершаемого в нужном месте в нужный момент, не причиняя вреда окружению.

Пример 4.25. Остановка крови

Внутренние кровотечения в полевых условиях практически невозможно остановить. Это часто приводит к смертельным исходам. Особенно это важно во время ведения боевых действий.

Американские ученые разработали технологию DBAC (Deep Bleeder Acoustic Coagulation), позволяющую быстро свертывать кровь путем нагрева до температуры свертывания (от 70° C до 95° C) под воздействием ультразвука.

Обнаружение кровотечения осуществляется с помощью эффекта Доплера.

Для обнаружения кровотечения прибор подает ультразвуковые импульсы и в месте кровотечения наблюдает максимальное смещение частоты сигнала. Так локализуется место кровотечения.

Ультразвуковые волны воздействуют только на пораженный участок и совершенно не влияют на работу расположенных рядом органов.

Пример 4.26. Печать по требованию (Print-on-Demand)

Традиционно книги печатают офсетным способом. Это очень производительная и качественная печать. После этого продукцию необходимо доставить в необходимую страну на конкретный склад, где она хранится до тех пор, пока не будет вся распродана.

Идеально, что бы печаталось только необходимое в данный момент количество экземпляров и в нужном месте.

С появлением цифровой печати стало возможным печатать продукцию по требованию. Эта технология получила название Print-on-Demand. Это высококачественная печать, позволяющая выпустить даже одну книгу. Продукция не хранится на складах, а сразу поступает к заказчику.

Предмет должен появиться только в нужный момент в необходимом месте.

Можно использовать убирающиеся, складные, надувные, заменяемые и съемные предметы или их части. Они не занимают лишнее место и «появляются» в момент, когда они нужны.

Идеальная информация появляется в нужный момент в нужном месте при необходимом условии, без затрат времени и усилий на ее поиск.

Самоисполнение

Идеальная система должна выполнять все процессы (действия) самостоятельно (САМА) без участия человека.

Пример 4.27. Каменщики в Петербурге

Для строительства Петербурга не хватало каменщиков. Они не хотели ехать в далекую новую столицу.

Царь Петр I издал указ об освобождении петербургских каменщиков от податей, но эта мера не помогла.

Каменщики сами по собственному желанию должны прибыть на строительство Петербурга.

Петра I издал другой указ, запрещающий возводить во всей России «всякое каменное строение какого бы имени не было, под страхом разорения всего имения и ссылки». Каменные здания стали возводиться только в Петербурге, что и вызвало приток каменщиков.

Достаточно много технических систем, в названии которых есть слово «САМ» — без непосредственного участия человека. Уменьшение участия человека в работе технической системы осуществляется с помощью механизации, автоматизации и кибернетизации, в частности, компьютеризации.

Механизация труда позволяет облегчить выполнение отдельных операций, повысить их производительность и точность изготовления. Создаются специализированные инструменты, приспособления и механизмы.

Пример 4.28. Одевание автомобильных шин на конвейере

Одна из операций при сборке автомобилей — одевание колес. Конвейер находится на определенной высоте, для удобства сборки. При одевании колеса на вал, его нужно или поднимать вручную, или иметь специальное устройство для его поддержания.

Колесо должно подниматься САМО.

Колесо размещают на тележке сверху (рис. 4.10а). Когда необходимо надевать колесо, рабочий нажимает кнопку, тележка наклоняется, колесо падает вниз (рис. 4.10б), ударяется о пол, подскакивает (САМО поднимается). Когда колесо оказывается на уровне оси, рабочий направляет колесо на ось.

Рис. 4.10. Одевание автомобильных шин

Механизация процесса избавляет человека от выполнения физического труда. Все операции выполняются самостоятельно. Человек выполняет только функции управления или вообще не касается этого процесса.

Следующий уровень — использование программ.

Пример 4.29. Стиральная машина

Стиральная машина САМА (по программе) выполняет необходимую работу.

Более высокий уровень автоматизации — использование эффектов.

Пример 4.30. Самомоющееся стекло

В английской компании Pilkington создали первое в мире оконное стекло, которое само себя очищает от грязи, разрушая органическую грязь, используя солнечный свет и дождевую воду. Его назвали Pilkington Activ.

Уничтожение грязи ведется непрерывно, а ее смыв происходит тогда, когда идет дождь, или при омовении стекла водой из шланга.

В наружной поверхности стекла вмонтирована тонкая прозрачная пленка из двуокиси титана (диоксида титана — TiO₂). Под действием света происходит фотокаталитический процесс, который разрушает грязь. TiO₂ — белый порошок, поэтому чтобы пленка была прозрачной ее сделали толщиной 15 микрон. Чтобы грязь не приставала к стеклу его поверхность сделали гидрофобной. Использован физические эффекты — фотокаталитический и гидрофобный.

Стекло обладает эффектом зеркала и имеет синеватый отлив.

Наиболее дешевый способ идеализации — использование ресурсов.

Пример 4.31. Капсульная эндоскопия

Эндоскопия — способ осмотра некоторых внутренних органов при помощи эндоскопа. Эндоскоп представляет собой прибор, имеющий камеру, которая с помощью волоконной оптики передает изображение на экран монитора. Продвижение камеры осуществляется врачом.

Выпускается капсула, позволяющая исследовать тонкий кишечник. Такую капсулу проглатывают, и она САМА посредством перистальтики кишечника передвигается по желудочно-кишечному тракту и передает изображение тонкого кишечника посредством датчиков. Информация записывается на специальном приборе, который вешается на пояс пациента с помощью специальной сумки. Пациент не ощущает никаких неудобств и неприятных ощущений, которые происходят при традиционной эндоскопии.

Кибернетизация труда избавляет человека от управления процессом. Более высокие степени кибернетизации — автоматизация (компьютеризация) мыслительной деятельности. Иногда этот процесс называют интеллектуализацией.

В качестве примеров можно привести шахматные компьютерные программы, программы переводчики текстов на различные языки, экспертные системы и системы искусственного интеллекта и т. д.

Идеальная информация должна появляться САМА, без затрат времени и усилий на ее поиск.

Идеальная система — функция

Идеальной системы быть не должно, а ее работа должна выполняться как бы сама собой, по мановению «волшебной палочки».

Функция должна выполняться без средств

Идеальная система — это система, которой не существует — ее нет, а ее функции выполняются в нужный момент времени, в необходимом месте (причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку), по необходимому условию, не затрачивая на это веществ, энергии, времени и финансов.

Главный конструктор танка Т-34 М. И. Кошкин говорил: «Самая лучшая деталь в танке та, которой в нем нет! Действительно — она уж точно не сломается и не сгорит…».

Таким образом, идеальная система должна выполнять полезные функции в нужный момент времени, в необходимом месте, по необходимому условию, иметь нулевые затраты и не иметь нежелательных эффектов.

Использование информации не относится к затратам, если она не требует финансовых затрат. Система тем идеальнее, чем больше она использует бесплатной информации.

Тенденция: материальная система заменяется виртуальной или программным обеспечением.

Пример 4.32. DVD ROM

Сегодня в квартирах часто имеется несколько компьютеров, которые объединяют в единую местную сеть. Тогда встает вопрос, как сэкономить на отдельных частях компьютеров, например, не покупать для каждого компьютера DVD ROM.

Идеальный DVD ROM — это отсутствующий DVD ROM, который выполняет его функцию.

Использование виртуального DVD ROM за счет программного обеспечения, которое имеется в операционной системе, например, в Windows эта операция называется «подключение сетевого диска». Таким же образом можно подключать дополнительный жесткий диск с другого компьютера, находящегося в местной сети.

Пример 4.33. Идеальная клавиатура компьютера

Клавиатуры быть не должно, а ее функция должна остаться. Клавиатуру проецируют на ровную поверхность, например, письменный стол. Нажатие клавиши определяется по пересечению пальцем определенного луча, проецирующего изображение.

Виртуальная клавиатура имеется в планшетах и смартфонах.

Другое решение подавать все команды голосом, которые с помощью компьютерной программы распознаются (voice recognition).

Еще один проект (Project Soli) представляет собой чип, помогающий управлять любыми устройствами, не касаясь их. Трехмерное движение кисти и пальцев воспринимаются с помощью радара. Размеры чипа небольшие (5х5мм), что позволит встраивать его даже в небольшие гаджеты, браслеты или смарт-часы.

Пример 4.34. Идеальный экран

Идеальный экран для проектора — это его отсутствие (его быть не должно), а функция должна выполняться.

Можно использовать стену (лучше белого цвета) или доску, на которой пишут фломастерами. Тогда появляется еще дополнительный эффект — на отображаемую картину можно наносить изображения при помощи фломастеров.

Идеальная информация — информация которой нет, а выполняется только ее функция — действие, процесс, который должны происходить с использованием данной информации. Например, принято решение, для которого собиралась данная информация.

Функция становится не нужной

Предельная степень идеализации — отказ от функции — функция становится не нужной.

Пример 4.35. Процесс мытья посуды

Раньше посуду мыли вручную. Особо грязные места приходилось долго оттирать щеткой. При этом полированная посуда царапалась.

Затем развитие этого процесса осуществлялось в нескольких направлениях. Например, появились различные моющие средства, убыстряющие и улучшающие процесс мытья. После нанесения таких средств нужно только смыть грязь.

Создали посудомоечную машину. Она САМА моет посуду (самоисполнение).

Появилась одноразовая посуда. Стал не нужен ни процесс мытья, ни сама функция — очистка посуды. Таким образом, процесс мытья стал идеальным — он перестал существовать.

Но необходимо собрать грязную одноразовую посуду и выбросить ее. Идеальнее не делать и этот процесс — избавиться и от этой функции. Можно посуду сделать съедобной, например, положить ее в питу, багет, капустный лист и т. п. имеется и другая съедобная посуда, например, тарелки, вилки и ложки, чашки

и т. д.

Идеальная информация — нет потребности в данной информации. Например, нет потребности в принятии решения, для которого собиралась данная информация.

Описанные выше, степени идеализации характерны не только для системы, но и для вещества, формы и процесса.

4.5.2.3. Показатель степени идеальности

Система тем идеальней, чем в ней больше полезных эффектов и чем меньше вредных эффектов (факторов расплаты).

Под полезными эффектами понимается:

— система выполняет больше полезных функций (полезной работы);

— работа осуществляется максимально эффективно и качественно.

Под вредными эффектами понимаются все расплаты:

— затраты времени и средств;

— вредные воздействия и т. д.

Затраты средств — это затраты на расходы энергии, веществ, элементов, пространства.

Степень идеализации системы можно представить в виде формулы (4.1):

Степень идеализации системы

Где

I — степень идеализации (безразмерная величина);

F — полезная функция или полезный эффект (безразмерная величина);

Q — качество полезной функции (эффекта) — безразмерная величина;

C — затраты времени и средств на осуществление полезной функции;

H — вредное действие (безразмерная величина);

i — порядковый номер функции;

n — количество функций;

a, β, γ — коэффициенты согласования.

В соответствии с формулой для увеличения степени идеальности число полезных функций следует увеличивать и улучшить их качество, а затраты и вредные функции уменьшать. В пределе, когда числитель стремится к бесконечности, а знаменатель стремится к нулю, идеальность стремится к бесконечности.

4.5.2.4. Идеальное вещество

Идеальное вещество — вещества нет, а его функции выполняются.

Вещество тем идеальнее, чем:

— больше полезный эффект оно создает;

— меньше его вес и стоимость;

— меньше оно приносит вред (нежелательный эффект).

Степень идеализации вещества определяется формулой (4.2):

Степень идеализации вещества

Где

I_S — степень идеализации вещества (безразмерная величина);

E — полезный эффект или свойство, выполняемое веществом (безразмерная величина);

M — масса или вес вещества;

C — стоимость вещества;

H — вредное действие, создаваемое веществом (безразмерная величина);

i — порядковый номер полезного эффекта (свойства);

n — количество полезных эффектов (свойств);

a, β, γ, δ — коэффициенты согласования.

В качестве полезного эффекта (функций, свойств) вещества, например, можно назвать: прочность, эластичность, удельный вес, непроницаемость, тепло — и электропроводимость, тепло — и электроизоляционные свойства, прозрачность, коррозионная и химическая стойкость, pH, агрегатное состояние, температура плавления и кипения, кристаллическая структуру, и т. д.

Имеются вещества с изменяемыми свойствами, использующие различные эффекты. Условно мы их будем называть «умные» вещества. Например, жидкие кристаллы; поляризационные пластины; вещества, изменяющие свою прозрачность; термо- и фоточувствительные полимеры; флуоресцентные вещества; полимерные гели; материалы с эффектом памяти формы; магниты; магнитная и реологическая жидкость; электреты; тепловые трубы, фото — и светодиоды и т. д.

«Умное» вещество — это управляемое вещество с изменяемыми, заранее заданными свойствами, представляющее собой преобразователь или источник энергии или информации, осуществляющий определенный эффект (физический, химический, биологический или математический).

Для разных видов технических систем подбираются свое «идеальное» вещество.

Г. С. Альтшуллер писал: «Материал „идеальной машины“ работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части — только на сжатие и т. д.».

В качестве одного из идеальных веществ можно назвать пену. Она имеет минимальный вес и выполняет разнообразные функции, например, теплоизоляция, поглощение шума, изоляция потоков газа и т. п.

Пример 4.36. Защита насаждений от заморозков

Растения и посевы покрывают полимерной «шубой» из пены, защищая их от заморозков. Она безвредна для растений, долго держится, хорошо защищает почву от мороза, а при необходимости без затруднений смывается водой (а. с. 317 364).

Рассмотрим примеры других идеальных веществ.

Пример 4.37. Корпус самолета

В самолетах используют дюралюминий. Он достаточно прочен и легок.

Приведем пример использования «умных» веществ.

Пример 4.38. Соединительная втулка из никелида титана

Компания «Raychem Corporation» (США) в 1971 году разработала втулку для соединения труб гидравлической системы военных самолетов из материала с эффектом памяти формы — нитинола (никилид титана — NiTi). Эта втулка получила название «Cryofit». Она показала себя очень надежной. Из 300 000 поставленных втулок не было ни одной поломки.

4.5.2.5. Идеальная форма

В некоторых случаях можно говорить и об идеальной форме.

Идеальная форма — обеспечивает максимум полезного эффекта для выполнения определенной функции.

Под полезным эффектом формы пониматься, например:

— прочность, при минимуме используемого материала;

— минимальное аэро- и гидродинамическое сопротивление;

— герметичность;

— трение (минимальное или максимальное);

— эргономичность;

— эстетичность и т. д.

Пример 4.39. Корпус подводного аппарата

Для подводного аппарата идеальная форма прочного корпуса — сфера. Она обладает высокой устойчивостью и небольшой плотностью. У сферического корпуса минимальное отношение площади поверхности к объему.

Пример 4.40. Форма антенны

Антенна радиотелескопа должна иметь гиперболическую форму. Любые отклонения от теоретического гиперболоида дают искажения сигнала. Такую антенну делают из материала с эффектом памяти формы.

4.5.2.6. Идеальный процесс

Процесс осуществляется для получения результата.

Идеальный процесс — это отсутствующий процесс, его не должно быть, а должен быть только результат, осуществляемый процессом.

Таким образом: идеальный процесс — результат.

В качестве результата может быть взят продукт или действие.

Особым фактором в процессах является время.

Процесс происходит тем идеальнее, чем он производительней, качественней и чем меньше требуется затрат вещества, энергии, трудозатрат (в том числе и на управление процессом), и чем меньше вредных воздействий он производит.

Степень идеализации процесса можно представить в виде формулы (4.3):

Степень идеализации процесса

Функциональность операции

Где

I_P — степень идеализации процесса (безразмерная величина);

F_i — функциональность операции i (безразмерная величина);

L_k — уровень функции k в операции i (безразмерная величина);

Q_k — качество выполнения функции k в операции i (безразмерная величина);

T — время выполнения операции i;

C — затраты средств на осуществление операции i;

H — вредное действие, создаваемое операцией i (безразмерная величина);

k — порядковый номер функции в операции i;

m — количество функций в операции i;

i — порядковый номер операции;

n — количество операций в процессе;

a, β, γ, δ — коэффициенты согласования.

Процесс — это набор операций, которые могут выполняться последовательно и/или параллельно. Кроме того, могут быть обратные связи. Одна операция может выполнять несколько функций. Функции могут иметь разный уровень:

— главная;

— основная;

— второстепенная.

Идеальный процесс производит качественный продукт (результат) с нулевыми затратами вещества, энергии, времени и управления.

Способы идеализации процесса

Сокращение времени выполнения процесса и повышение его эффективности может осуществляться способами:

1. Не выполнять процесс, а использовать результат.

2. Выполнение действий заранее (предварительно).

Заранее (предварительно) выполнить требуемое действие полностью или хотя бы частично. Предварительное выполнение части процесса.

2.1. Заранее обдумать последовательность выполнения операций в процессе;

2.2. Заранее ввести нужные для выполнения процессов «отзывчивые» вещества и поля;

2.3. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку с наиболее удобного места.

3. Устранить ненужные (лишние), повторяющиеся и вредные операции.

4. Устранить отдельные операции процесса, передав их функции другим операциям (предыдущим, параллельным или последующим).

5. Объединить однородные или смежные операции.

6. Использование пауз и холостых ходов.

7. Вести работу непрерывно.

8. Параллельное выполнение процессов.

9. Встречное выполнение процессов.

10. Процесс разбивается на отдельные операции, если возможно, каждая операция выполняется параллельно и встречно.

11. Выполнение процесса многими системами или частями.

12. Использование более управляемых полей и веществ, в частности, замена механического движения на движение более управляемого поля.

13. Использование ресурсов.

Приведем примеры способов осуществления идеализации процесса.

Выполнить действия заранее

— Предварительное выполнение части процесса.

Пример 4.41. Компьютерная программа для цифровой печати

Благодаря появлению цифровой печати стало возможным печатать документы или книги по требованию (Print-on-Demand — POD). Печатается столько документов, сколько их заказали в данный момент, причем хорошего качества. Это позволяет избавиться от складов и неликвидов. Кроме того, документ печатается в том месте, где он требуется. Таким образом, отпадает необходимость в транспортировке на значительные расстояния больших объемов готовой продукции — высшая степень идеальности — исчезли функции пересылки на большие расстояния и хранения печатной продукции.

При такой печати очень критично, чтобы печатающая машина не простаивала в ожидании, когда программа успеет подготовить ей очередной лист для печати.

С этой целью поступивший на печать документ предварительно обрабатывают и записывают в буферную память. Объем такой памяти ограничен и его не хватает для записи больших документов, например, книг.

В этом случае документ предварительно обрабатывается, и определяются повторяющиеся места, они и записываются в буферную память. Они, как правило, занимают не много места в памяти компьютера. Эти записи вызываются в момент, когда они необходимы для печати. Таким образом, выполняется часть процесса обработки информации заранее, что позволяет сократить общее время печати.

— Заранее расставить объекты.

Пример 4.42. Строительство домов

Раньше панели для строительства домов привозили заранее и их складировали. Для этого нужно было иметь дополнительные площади. Кроме того, панели могли быть повреждены в следствии плохой погоды или небрежного обращения.

Ввели способ строительства «с колес». Панели привозили точно в то время, когда они нужны. Их выгружали и тут же ставили на место.

Приведем примеры на другие способы сокращения времени проведения процесса.

Опишем идеализацию процесса сварки.

Процессы идут встречено

Пример 4.43. Сварка листов

При сварке листов процесс будет идти быстрее, если его вести с двух сторон навстречу друг другу (а. с. 988 490, 1 234 095). Можно двигать навстречу друг другу лист и дугу (а. с. 1 031 679).

Разбиение процесса на отдельные операции

Пример 4.44. Сварка листов

Процесс сварки будет идти быстрее, если будет использоваться не два, а большее количество электродов, которые попарно двигаются навстречу друг другу (а. с. 303 158).

Замена механического движения на полевое

Пример 4.45. Сварка листов

Можно вообще не тратить время на перемещение электродов, если их расставить заранее в нужном месте на расстоянии, меньшем, чем тепловое пятно. Каждый из электродов подсоединяется к источнику питания и последовательно включается. Таким образом, дуга движется, а электроды стоят на месте (а. с. 285 740).

Использование имеющихся ресурсов

Пример 4.46. Как отыскать в стене трассу скрытой проводки?

Это можно осуществить при помощи приемника. Для этого в розетку нужно включить какой-нибудь слабый источник помех, например, электробритву с отсоединенным помехозащитным фильтром. Приемник настроить в средневолновом диапазоне (но не на станцию) и начать водить им вдоль стены. При пересечении трассы проводки треск из динамика будет усиливаться.

4.5.3. Закон увеличения степени управляемости

Закон увеличения степени управляемости является основным из законов эволюции технических систем (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Структура законов эволюции технических систем

Развитие системы идет в направлении увеличения степени управляемости.

Система может быть управляемой тогда и только тогда, когда она содержит в себе элементы, способные воспринимать управляющие сигналы, преобразовывать их в управляющие воздействия и адекватно воспринимать информацию о внутренних изменениях в системе и внешних воздействиях на нее. Это свойство часто называют «отзывчивостью».

Общая тенденция увеличения степени управляемости (рис. 4.12) — это переход от:

— неуправляемой к управляемой системе;

— неавтоматического (ручного) управления к автоматическому;

— проводного управления к беспроводному;

— непосредственного управления к дистанционному.

Рис. 4.12. Общая тенденция увеличения степени управляемости

Увеличение степени управляемости уменьшает степень участия человека в работе технической системы. Иногда эту тенденцию называют вытеснение человека из технической системы.

Вытеснение осуществлялось на протяжении всей истории развития человечества.

Первоначально вытеснение осуществлялось на уровне рабочего органа — руки и ногти были заменены острым камнем или рогом, которым первобытный человек, например, обрабатывал землю. На следующем этапе заменяли и некоторые связи или преобразователи — камень привязали к палке. Далее постепенно происходили этапы механизации, автоматизации и, начиная с 20 века, этап кибернетизации.

Этап механизации начинался с примитивных приспособлений, затем вытеснения человека на уровне двигателя — человек воспользовался природными силами (ветром, силой падающей воды и т. д.) и животными в качестве двигателя.

Следующий этап развития — замена человека на уровне системы управления. Этот этап начинался с примитивных, а затем сложнейших механических автоматов, далее автоматика была электромеханическая, электрическая и электронная.

Этап кибернетизации и интеллектуализации характерен для сегодняшнего дня.

Примеры к этим этапам мы рассматривали в разделе 4.5.2 (степени идеализации):

Система все делает сама — самоисполнение (рис. 4.13):

— механизация;

— автоматизация;

— кибернетизация (интеллектуализация).

Рис. 4.13. Уменьшение участия человека в работе технической системы

Пример 4.47. Зонтик

Родиной зонтика исторически считают Китай, Египет или Индию, где он, являлся привилегией царей и вельмож. Изобретение датируется XI веком до нашей эры. Первоначально он применялся исключительно в качестве защиты от солнца, и весил более 2 кг, а длина ручки была около 1,5 м.

Первые зонты имели недостаток — они не были складными, т. е. имели только одно устойчивое состояние — открытое. Соответственно, это была неуправляемая система — независимо от наличия дождя или прямых солнечных лучей зонтик сохранял свои внушительные размеры.

Автоматическое управление в технике — это совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.

Тенденция перехода от неуправляемой к управляемой системе показана на рис. 4.14. Она представляет собой переход от неуправляемой системы к управлению по разомкнутому контуру, затем к переходу к системе с обратной связью, к адаптивной (самонастраивающейся) системе, к самообучаемой и самоорганизующейся системе и, наконец, к саморазвивающейся и самовоспроизводящейся системе.

Рис. 4.14. Переход от неуправляемой к управляемой системе

Управление по разомкнутому контуру осуществляется без знаний о текущем состоянии объекта управления. При таком управлении чаще всего управление ведется по жесткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы, либо измеряют и компенсируют главные из возмущений.

Для этого вида управления характерно отсутствие обратной связи, с помощью которой можно получить информацию о том, что происходит в объекте управления.

Структурная схема системы управления по разомкнутому контуру показана на рис. 4.15. Устройство управления воздействует на объект управления по программе, находящейся в задающем устройстве. На объект управления могут воздействовать возмущения. Некоторые системы по разомкнутому контуру измеряют главные из возмущений и компенсируются.

Рис. 4.15. Система управления по разомкнутому контуру

Этот вид управления достаточно примитивен, но часто исполнительные устройства просты, надежны и дешевы. По такому принципу работают примитивные автоматы и конвейерные линии.

Условия предпочтения управления по разомкнутому контуру управлению по замкнутому контуру:

— не нужны высокоточные операции;

— система может работать удовлетворительно без гарантии изменений, которые происходят в объекте управления.

Пример 4.48. Стиральная машина

Переключение команд в стиральной машине осуществляется по определенной программе.

Система с обратной связью представляет собой систему, работающую по замкнутому контуру. В такой системе осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и управляющее устройство.

Структурная схема системы управления с обратной связью показана на рис. 4.16. Устройство управления воздействует на объект управления посредством сигнала (управляющего воздействия) в соответствие с ошибкой управления, которая вырабатывается в результате сравнения сигнала обратной связи с задающим воздействием. На объект управления могут воздействовать возмущения.

Рис. 4.16. Система управления с обратной связью, где кружок с крестиком — сумматор

Обратная связь — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. На вход системы подается сигнал, являющийся функцией выходного сигнала. Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь.

Отрицательная обратная связь — это тип обратной связи, при которой входной сигнал системы изменяется таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь компенсирует отклонения управляемой величины от желаемых значений вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Таким образом, на вход системы подается инвертируемый выходной сигнал, сигналы вычитаются, уменьшая ошибку управления.

Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

На рис. 4.17 затемненная часть сумматора обозначает, что он является инвертором (сигнал вычитается).

Рис. 4.17. Система управления с отрицательной обратной связью

Примером отрицательной обратной связи является любая система автоматического управления и регулирования, следящая система.

Пример 4.49. Инвертор

Простейший пример отрицательной обратной связи — это инвертор или инвертирующий усилитель (рис. 4.18). Он выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180º. Поэтому обратная связь отрицательная.

Рис. 4.18. Схема инвертора (инвертирующего усилителя) ОУ — операционный усилитель, R1, R2, R3 — сопротивления.

Эффективность управления повышается, если управление осуществляется не только по управляемой величине, но и по ее производным и интегралу.

Производная позволяет раньше реагировать на изменение управляемой величины, а интеграл позволяет учесть предыдущие изменения.

Положительная обратная связь — это тип обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы усиливается за счет складывания с входным сигналом, способствуя дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.

Системы с сильной положительной обратной связью неустойчивы, в них возникают незатухающие колебания (автоколебания).

Положительная обратная связь используется, например, в усилителях, генераторах, переключателях и т. п.

Пример 4.50. Генератор

Простейший пример положительной обратной связи — это генератор. На схеме (рис. 4.19) генератор выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на положительный вход, при этом входной и выходной сигналы складываются, усиливая выходной сигнал. Поэтому обратная связь положительная.

Рис. 4.19. Схема генератора

ОУ — операционный усилитель, R1, R2, R3 — сопротивления

Самонастраивающаяся система — это система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путем автоматического поиска оптимальной настройки. Самонастраивающуюся систему также называют адаптивной или самоприспосабливающейся.

В самонастраивающихся системах параметры меняются в более широком диапазоне по сравнению с обычными (не самонастраивающимися) системами, в которых осуществляется первоначальная настройка (создание определенных параметров) при разработке системы. Такие параметры влияют на устойчивость и качество процессов управления.

Самонастраивающаяся система сохраняет работоспособность даже в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды посредством смены алгоритмов своего функционирования или поиска оптимальных состояний.

Пример 4.51. Коммутатор

Коммутаторы предназначены для подключения и отключения входных сигналов. Они широко используются в серверах, чтобы повысить производительность пропускания каждого из каналов (портов). Каждый из портов имеет определенную скорость пропускания информации, что ограничивает общую производительность ее прохождения.

Компания IBM разработала коммутатор с самонастраивающимися портами способными автоматически выбирать наибольшую скорость пропускания информации без блокировки каналов.

Самообучающаяся система — это система, алгоритм функционирования которой совершенствуется путем самообучения в процессе работы, улучшая функционирование системы.

Пример 4.52. Поисковые системы

Информацию в Интернете ищут с помощью специальных поисковых систем, например, поисковой машины Google. Программа поисковой машины самостоятельно изучает запросы и впоследствии предоставляет клиентам информацию, более подходящую для каждого из них. Например, предоставляет информацию, к которой чаще всего обращаются.

Самоорганизующаяся система — это система, которая способна синтезировать модель структуры системы в зависимости от ее предназначения и окружающих ее условий. Она разрабатывает алгоритм работы системы, проектируя систему управления, и по синтезируемой модели создает саму систему из имеющихся элементов. Такая система способна перестроить структуру системы, чтобы приспособиться к внутренним или внешним изменениям. В простейшем случае система способна изменить связи между подсистемами, а в сложнейшем случае заменять, добавлять или изменять подсистемы для создания структуры, способной наилучшим образом выполнить необходимые функции.

Основное отличие самоорганизующейся системы от самонастраивающейся системы заключается в том, что в первой в процессе приспособления преобладают качественные изменения, а во второй — количественные.

Пример 4.53. Самоорганизующийся робот

В лаборатории вычислительного синтеза Корнельского университете (США) разработали опытный образец робота, способного синтезировать свою структуру в зависимости от окружающих его условий и обстоятельств воспроизвести себя из универсальных элементов — кубиков.

На поверхности кубиков имеются электромагниты, с помощью которых они могут соединяться и разъединяться друг с другом; питание подводится через контакты на поверхности монтажного стола.

Первоначально робот создает свою модель и по ней синтезирует систему управления, что осуществляется в результате ограниченного количества физических экспериментов (это поисковая самонастраивающаяся система).

Алгоритм работы робота позволяет ему функционально компенсировать механические повреждения в результате коррекции собственной модели.

Саморазвивающаяся система — это самообучающаяся, способная не только накапливать знания, но и развивать систему в соответствии с поставленными целями по определенным закономерностям.

Пример 4.54. Саморазвивающаяся компьютерная система

В патенте США 5 072 406 описана саморазвивающаяся компьютерная система, память которой содержит блоки инструкций, специальных знаний и базовых данных. Блок специальных знаний включает знания конкретной области и стратегию их использования. Блок базовых данных включает знания по использованию инструкций.

При поступлении входного сигнала он обрабатывается и перепроверяется по всем блокам с учетом имеющихся инструкций и базовых данных, вырабатывая выходной сигнал. При выявлении новых знаний они заносятся в блок специальных знаний. В процессе деятельности блок специальных знаний может изменять инструкции, постоянно развивая компьютерную систему.

Самовоспроизводящаяся система — это самоорганизующаяся, саморазвивающаяся система, способная создать подобную себе систему.

Основное отличие самоорганизующейся системы от самовоспроизводящейся системы заключается в том, что в первой используются готовые подсистемы, а во второй — их изготовляет сама система

Конец ознакомительного фрагмента.