Тема № 5. Системний, процесний і кібернетичний підходи опису технічних об’єктів

Специфіка технічних наук та їх місце в розвивальній структурі наукового знання. Технікознання. Сутність, структура та класифікація технічних систем. Фундаментальні та прикладні дослідження. Техніка. Технічний об’єкт (ТО) і технічна система (ТС). Математична модель лосліджуваного об’єкта. Означення та розвиток ТС. Елементи і підсистеми ТС. Ієрархічність. Уявлення про складну ТС. Аспекти опису ТС та їх форми прояву. Описи ТО. Потреба або функція системи. Технічна функція. Класифікація функцій ТО. Функціонально-фізичний метод Р. Коллера. Процесний підхід. Потокові зв’язки. Фізична операція (ФО). Опис ФО Р. Коллера. Функціональні структури (ФС). Конструктивна ФС. Потокова ФС. Фізичний принцип дії. Фонд природничо-наукових і науково-технічних ефектів. Спосіб дії. Режими функціонування ТО. Технічне рішення. Проект. Властивості ТО: характеристики, параметри, показники. Керування та збурення. Математична модель (ММ) поведінки ТС. Стійкість ТС та її ієрархічні рівні. Гомеостаз: суть, як рівень керування, негативний зворотний зв'язок. ТС стабілізації. Системи автоматичного регулювання (САР). Розімкнуті та замкнуті системи керування. Активні форми стійкості. Адаптація: означення, види. Надійність: означення, ефективність. Живучість: означення, модульна побудова техніки, пасивні й активні модульні елементи. Динамічні та функціональні системи. Кібернетичний підхід. Системи керування: суть, склад. Ситуація та ситуаційне управління. Рівні якості ТС: стійкість, шумостійкість, керованість. Вектор збурень довкілля. ММ технічної керованої системи (ТКС). Рефлексивний тип ТКС. Екстремальні моделі керування. Цільова функція (критерій). Мета керування екстремальних ТС. Екстремальні системи автоматичного керування (САК). Принцип необхідної різноманітності У.Р. Ешбі. Різноманітність керуючої системи. Принцип необхідної складності. Адаптивні системи. Параметричні і непараметричні адаптивні САК. Самоорганізуючі системи. Принцип зовнішнього доповнення Ст. Біра. Каузальні, доцільні та цілеспрямовані САК. Основні принципи системного підходу.

"Наука подібна часу. Вона завжди йде вперед і ніколи назад. Кожен новий

день приносить багато невідомого і наближає нас до розкриття таємниці

світобудови. Ось така ж і сутність науки. Вічний рух – ось запорука успіху.

Знання рухають нами, а ми в свою чергу управляємо засобами науки умами оточуючих"

К. Томпсон

“Те, що сьогодні наука, – завтра техніка ”

Едвард Теллер

_____________________________________________________________________________________

Техніка (від грец. techne – мистецтво, майстерність) – сукупність засобів, створених людством для обслуговування своїх потреб виробничого і невиробничого характеру. У техніці матеріалізовані знання і виробничий досвід, накопичені людством у процесі розвитку суспільного виробництва.

Технічні науки займають проміжний стан у загальній системі наук між науками гуманітарними та природничими, тому що цілі, які вони накреслюють перед собою, визначаються соціальними відношеннями, потребами людини, попитом суспільного виробництва, а їх досяжність – природними законами. Гуманітарні науки (від лат. humanitas – людство) – суспільні науки (історія, економіка, філософія, філологія тощо) покликані досліджувати проблеми та суперечності, які виникають у суспільстві, при спілкуванні між собою, а також зі знаковими і виробничими системами. Очевидно, що природничі науки (фізика, хімія, біологія, геологія тощо) – це динамічні системи наукових знань, які досліджують певні явища в природі, метою використання їх в практичній діяльності людей. Об’єктом дослідження природничих наук виступає сама природа. В основі природничих наук лежить експеримент, його узагальнення у вигляді законів і, нарешті, побудова теорій, які є найбільш високою формою узагальнення та систематизації наукових знань.

У середині XІX століття в результаті процесів диференціації наукових дисциплін і визначався структурною диференціацією, якої зазнали спочатку фундаментальні науки (фізика, хімія тощо), потім гуманітарні, суспільні та прикладні науки, і нарешті, технічні науки. Таким чином, спостерігалась соціальна трансформація фундаментальних знань у прикладні, а останні ‑ у власне технічні знання.

Розглянуті вище глобальні процеси диференціації та інтеграції істотно вплинули на розвиток технікознання – знання про закони створення, функціонування і розвитку техніки. Розрізняють теоретичне і практичне технікознання.

Теоретичне технікознання базуючись на об’єктивних природних і суспільних закономірностях досліджує, насамперед, тенденції розвитку техніки – закономірності збільшення номенклатури, ускладнення та вдосконалення конструкцій об’єктів техніки. У свою чергу, практичне технікознання вивчає процеси прийняття інженерних рішень у сфері проектування об’єктів техніки і виробничої технології.

Головна особливість технічних наук визначається тим, що вони функціонують на стику наукової й інженерної діяльності, а тому їм притаманна своє специфічне завдання – виявляти зв’язок будови та функціонування технічних об’єктів. Отже, технічне знання є знанням про штучні об’єкти, створені людьми для досягнення тих або інших цілей. Змістові особливості цього знання, пов’язаного зі сферою інтелектуального конструювання, полягає в тому, що воно насамперед виявляє зв’язок структурних, функціональних і природних характеристик штучного об’єкта.

Штучні технічні об’єкти являють собою синтез “природного” та “штучного”. Їх штучність виявляється в тому, що вони є продуктом творчої людської діяльності, відображаючи у собі цілі цієї діяльності. Зазначимо, що природничонаукове знання, зокрема фізичне, отримують внаслідок абстрагування від властивостей реальних предметів, речей і явищ природи (у тому числі граничного абстрагування-ідеалізації), нехтуючи неістотніми зв’язками, взаємодіями і процесами (явищами) та розглядаючи замість реального фізичного явища його схематичну модель, в якій відображається за допомогою ідеальних фізичних об’єктів та процесів тільки істотні зв’язки, взаємодії та процеси. Роль ідеальних об’єктів і процесів відіграють матеріальна точка, абсолютно тверде тіло, адіабатний процес тощо. Разом з тим, технічне знання відноситься до об’єктів, які є не тільки ідеальними (електричний коливальний контур, чотириполюсник, кінематичний ланцюг тощо), але одночасно реальними об’єктами. Крім цього, поряд з критерієм істинності, який притаманний будь-якому знанню, для технічного знання характерний критерій ефективності в контексті інженерних розробок.

Таким чином, технічне знання дає опис функціонування технічного об’єкта за умови відомих його властивостей, фізичних і хімічних процесів, а також характеристик зовнішнього середовища. Саме тому, аналіз фізичних і хімічних процесів, що відбуваються в технічних об’єктах, направлено на виявлення сутності технічних властивостей. Тому в технічний теорії (найбільш висока форма узагальнення та систематизації знань) окрім функцій, які притаманні природничонауковій теорії (опис, пояснення, завбачення), існує ще конструктивно-проектна функція.

Технічні науки історично сформувалися значно пізніше (XIX ст.) ніж природничі, тобто в епоху зародження та прискореного розвитку глобальних інтегративних процесів. Тому специфікою технічного знання є його інтегративний характер, що об’єднує природні, функціональні (технічні) та конструктивні (морфологічні) параметри технічних об’єктів. Обмеження, що задаються природничонауковими законами, істотно впливають на ефективність функціонування створеного технічного об’єкта. У той час, як природничонаукове знання виникає при цілеспрямованому дослідженні існуючої природи та її проблем, то технічне знання формується на рівні попередньо поставлених завдань практики (інженерної діяльності) – створення нових штучних об’єктів, які мають задані властивості, параметри та характеристики. Із практичної направленості технічного значення випливає необхідність стандартизації свого змісту, що закріплюється законодавчо у вигляді патентованих винаходів і промислових зразків, які задовольняють суспільно- практичні потреби. Ось чому, технічні науки розглядаються як відносно самостійні науки зі своїми цілями, завданнями, методами і предметами дослідження.

І нарешті, підсилення інтегративних процесів у науці, в умовах суперечливої єдності процесів інтеграції та диференціації, проблема взаємопроникнення фундаментальних і прикладних досліджень, а також дослідно-конструкторських розробок (ДКР) стає особливо важливою.

Фундаментальні дослідження направлені на відкриття нових явищ природи (дійсності), виявлення найбільш глибоких, істотних зв’язків та взаємодій, які визначають механізми вивчаємих процесів. Фундаментальні наукові теорії виступають методологічною основою розвитку прикладних наукових дисциплін. Останні історично сформувалися на базі практичного використання результатів природничонаукових досліджень які направлені на задоволення тих чи інших практичних потреб.

Метою прикладних наукових досліджень є пошук загальних принципів і методів використання результатів фундаментальних досліджень. Перед прикладними дослідженнями не ставиться завдання створення технічного об’єкта. Мета цих досліджень – “забезпечити інженера знаннями, які дозволяють створити технічний об’єкт, тобто знаннями про шляхи та характерні особливості тих явищ, які можуть набути практичне застосування” [1, С. 24]. У свою чергу, ДКР використовують результати прикладних досліджень з метою модернізації вже існуючих або створення нових технічних об’єктів. ДКР базуються на відомих конструктивно-технічних і технологічних знаннях, використовуючи для проектування реального технічного пристрою (установки, машини) не тільки абстрактно-теоретичні схеми природознавства, а також ідеальні моделі технічної теорії: структурні, функціональні, процесні та інші схеми. ДКР є ядром технічного дослідження, результати якого повинні задовольняти суспільну практичну потребу.

Термін “техніка” походить від грецького слова “techne”, яке означає вміння, майстерність. Це підтверджує той факт, що технічні об’єкти – це реальні об’єкти, які штучно створені для виконання певних доцільних функцій, зокрема для здійснення процесу виробництва й обслуговування невиробничих потреб суспільства.

Техніка – поняття збиральне. Вона визначається як:

1. засіб праці (виробнича точка зору);

2. суспільна матеріальна система (системна точка зору);

3. особливим чином організована людиною сукупність перетворень речовини, енергії й інформації та взаємозв’язок між ними, які характеризують її “входи” і “виходи” (кібернетична точка зору).

Відомо, що до техніки відноситься сукупність механізмів, пристроїв, установок і машин, а також систем і засобів керування, добування, зберігання, перероблення та передавання речовин, енергії й інформації. Це відповідає основним виробничим елементам техніки:

1. матеріали (на що діє техніка);

2. енергія (чим діє техніка);

3. технологія (як діє техніка).

Продуктом виробничої техніки є вироби (деталі, складальні одиниці, комплекти та комплекси.

Як ми раніше висвітлили, технічний об’єкт має подвійну природу, як синтез природного та штучного. Їх штучність виражається у тому, що вони є продуктом творчої діяльності людини, відображаючи у собі цілі цієї діяльності. Для здійснення своїх цілей людина перетворює речовини, матеріали та тіла природи, надає їм визначену форму та властивості, які відповідають заданій функції. Межі “штучного” завжди визначаються “природним”, тобто властивостями тіл, фізичних полів, проявленням законів природи, які установляються природничими науками.

З точки зору системології (учення про системи), об’єкти техніки являють собою відкриті цілісні матеріальні системи, які займають проміжну позицію між двома саморозвиваючими системами – людським суспільством і природою, а саме є частинним випадком антропогенних несаморозвиваючих штучних систем (від гр. anthropos – людина + denos – походження).

Технічний об’єкт (ТО) – створений людиною або автоматом реально існуючий пристрій, призначений для задоволення певної потреби.

До ТО можна віднести окремі машини, апарати, прилади, ручні знаряддя праці, будинки, споруди, одяг і т. п. пристрої, що виконують певну функцію (операцію) з перетворення речовини (живої та неживої природи), енергії або інформаційних сигналів. До ТО будемо також відносити будь-який з елементів (агрегат, блок, вузол, деталь), із яких складаються машини, апарати, прилади тощо, а також будь-який з комплексів взаємопов’язаних машин, апаратів, приладів. Це може бути технологічна лінія, цех, завод і т. п.

Зазначимо, що як синонім поняття «технічний об’єкт» в літературі часто використовують поняття “технічна система”. Як випливає з попередньої лекції, системотехніка є теоретичною основою аналізу існуючих та проектування нових технічних систем [2].

Як правило, системотехніка своїм предметом дослідження має складні технічні та технологічні системи. Відповідно до підходу Дж.Клира [3], система як об’єкт дослідження є, з одного боку, множиною властивостей, із кожною з яких пов’язана множина його проявів, а з іншого боку – множиною базисів, із кожним з яких пов’язана множина її елементів. Звідси, система досліджуваного об’єкта формально може бути представлена у вигляді математичної моделі:

(5.1)

Де і-та властивість і множина її проявів відповідно; j-ий базис і множина елементів; – модель досліджуваного системного об’єкта, яка не враховує ієрархічну структуру цілей і задач управління (керування) обєктом.

Як показали М.З. Згуровський, Н.Д. Панкратова [4], рекурсивно вкладеним технічним системам, як об’єктам системного дослідження, характеристики кожного з яких визначають цілі системного дослідження, можна надати такі означення [4, с. 69-70]:

• Технічна система – матеріальний цілісний об’єкт, призначений для виконання певної функції у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованої за номенклатурою, скінченної множини функціонально взаємозалежних, структурно взаємопов’язаних функціональних елементів, які технологічно взаємодіють.

• Складна технічна система – матеріальний цілісний об’єкт, призначений для виконання скінченної множини функцій у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованої за номенклатурою, скінченної множини функціонально взаємозалежних, структурно взаємопов’язаних функціональних технічних систем, які технологічно взаємодіють.

• Складна ієрархічна система – це цілісний об’єкт, утворений із функціонально різнотипних систем, структурно взаємопов’язаних ієрархічною підпорядкованістю і функціонально об’єднаних для досягнення заданих цілей за певних умов. Прикладами таких систем можуть служити сучасні виробничі об’єкти, космічні системи зв’язку, навігації, дистанційного зондування, всесвітня система об'єднаних комп'ютерних мереж для зберігання і передачі інформації (Інтернет), сучасні системи управління регіонами, корпораціями, багатопрофільними фірмами тощо.

• Велика технічна система – матеріальний просторово обмежений об’єкт, призначений для виконання певної множини функцій у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованої за номенклатурою, скінченної множини просторово віддалених або зосереджених, функціонально взаємозалежних, структурно та організаційно взаємозалежних складних технічних систем, які технологічно й ресурсно взаємодіють.

• Надвелика технічна система – матеріальний просторово обмежений об’єкт, призначений для виконання певної множини функцій у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованого за цілями і (або) номенклатурою, обмежений множиною просторово віддалених і (або) зосереджених у межах регіону, функціонально і (або) ресурсно взаємозалежних великих і (або) складних технічних систем, які технологічно й організаційно взаємодіють.

• Глобальна технічна система – матеріальний об’єкт, призначений для виконання необхідних функцій у певній галузі діяльності за мінливих умов, технічно реалізований на основі нескінченної множини віддалених у межах глобального простору, погоджених за цілями, можливостями та іншими показниками діяльності, функціонально і (або) ресурсно взаємозалежних надвеликих, великих і (або) складних технічних систем, які технологічно й організаційно взаємодіють.

• Глобальна технічна суперсистема – матеріальний об’єкт, призначений для виконання необхідних функцій у діяльності людини за мінливих умов, технічно реалізований на основі нескінченної множини функціонально і (або) ресурсно взаємозалежних глобальних технічних систем, які технологічно й організаційно взаємодіють.

• Глобальна суперсистема – матеріальний об’єкт, призначений для виконання необхідних функцій у діяльності людини за мінливих умов, технічно реалізований на основі нескінченної множини функціонально й ресурсно взаємозалежних глобальних технічних, організаційних, інформаційних та інших суперсистем, які технологічно й організаційно взаємодіють.

Зазначимо, що названі системи, починаючи зі складної технічної системи і закінчуючи глобальною суперсистемою, відрізняються як різноманіттям типів елементів (різні класи фізичних, хімічних, механічних типів елементів), так і різноманіттям типів відношень (від технологічного, продукційного взаємозв’язку до інформаційного обміну і взаємодії).

Дослідження показують, що при розвитку технічних систем домінує тенденція ускладнення організації. Зокрема, це пов’язано з широкою електронізацією та комп’ютеризацією нової техніки [5].

Таким чином, розвиток техніки пов'язаний з переважанням тенденції ускладнення, тобто з накопиченням інформації, або зростанням негентропії за рахунок витрат енергії. Сучасна техніка та виробничі технології орієнтовані на надійність, живучість, ергатичність і мобільну змінюваність більш досконалими зразками.

Знову повертаємося до аналізу технічних систем.

Складні технічні системи відповідають розглянутим раніше у системному підході системним інваріантам (замкнутість, структурність, ієрархічність, цілісність, динамічність, емерджентність, наявність певної організації). Для цих систем матеріально втілюються такі поняття, як “підсистема” і “елемент”. Зокрема, асинхронний двигун складається з закінчених частин (статор і ротор), які називаються терміном «підсистема». Вказані підсистеми, в свою чергу, складаються з дрібніших частин, які виконують певні функції – це елементи. Інтуїтивно здається природним, що елемент – це відносно неподільна частина цілого, яка виконує роль елементарного носія якості системи. Елементом можна вважати болт з гайкою для кріплення виводу обмотки електродвигуна. У загальному випадку, в залежності від виду технічного об’єкта елементом може бути частина деталі, деталь, вузол, блок, агрегат, ТС, комплекс технічних систем.

Термін “ієрархічність” означає, що кожен компонент системи може розглядатися як система (підсистема) ширшої глобальної системи.

Для складної технічної системи можна виділити три основні уявлення [8]:

1. функціональне уявлення (Ф-уявлення);

2. морфологічне уявлення (М-уявлення);

3. процесне уявлення (П-уявлення).

Частинними випадками останнього, тобто процесного уявлення, є технологічне уявлення (Т-уявлення) та уявлення розвитку системи (Р-уявлення).

В теорії проектування вказаним уявленням відповідає ряд аспектів опису [9]:

– функціональний аспект;

– конструкторський аспект;

– технологічний аспект.

Вказані вище уявлення мають два типи форм прояву:

1. вербальна форма (на природній мові моделювання чи проектування);

2. абстрактна форма (форма математичних моделей, графів, семантичних мереж, фреймів, продукційних правил тощо).

Ієрархію опису технічних об’єктів системно і поглиблено описав О.І. Половінкін [6]. За його концепцією, кожний технічний об’єкт (ТО) може бути представлений описами, які мають ієрархічну підпорядкованість, а саме кожний подальший опис включає в собі попередній і більш детально та повно характеризує ТО. Вказані описи розглядаються як ланцюг, який опосередкований знаком імплікації: