§ 4. Характеристики системы. Цели проектирования технических систем Виды и функции характеристикПомимо прочих способов (чертежей, моделей и др.) система описывается характеристиками. Характеристики позволяют различать и сравнивать системы (примеры: ручки могут отличаться или быть сходными по цвету, форме, толщине следа; автомобили отличаться или быть сходными по форме кузова, динамическим характеристикам, стоимости). Основные виды характеристик – параметры и признаки.Функции характеристик Идентификация систем (примеры: ручка отлична от карандаша по химическому составу оставляемого на бумаге слоя материала; значения характеристик "тип загрузки", "объём загружаемого белья", "максимальная скорость отжима" позволяют идентифицировать стиральную машину; значения характеристик "разрешающая способность", "максимальное увеличение", "энергия пучка электронов" отличают друг от друга электронные микроскопы). Помимо того, что системы отличаются значениями характеристик, они отличаются их набором (примеры: просвечивающий электронный микроскоп характеризуется диапазоном толщин исследуемых образцов, а растровый – нет; трубопровод круглого сечения характеризуется диаметром, а прямоугольного – нет). Установление условий реализуемости (примеры: невозможно накрутить гайку М10 на болт М8; невозможно пронести шкаф в собранном виде в дверь, если два габаритных размера шкафа превышают длину диагонали двери; невозможно купить вещь, если её стоимость превышает количество денег, имеющихся в наличии);Основание для решения задач выбора (пример: покупка мобильного телефона производится исходя из характеристик существующих моделей – стоимости, функциональных возможностей, эргономичности, престижности и др.);Основание для классификации систем (примеры: в зависимости от способа подачи красящего вещества ручка может быть шариковой, перьевая, капиллярная или фломастер; в зависимости от физического принципа действия электронные микроскопы бывают просвечивающие, растровые и просвечивающие растровые).ПараметрПараметр (от др.-греч. παραμετρέω "соразмеряю") – характеристика, значения которой, выраженные в количественной шкале, служат для различения элементов некоторого множества (например, систем или их элементов) между собой (примеры: масса, длина, крутящий момент, линейная скорость движения, объём, давление, коэффициент диффузии, угол наклона, стоимость). Параметры существуют объективно – независимо от сознания человека (пример: значение массы объекта, выражаемое в килограммах, одинаково для всех людей), и проявляются во взаимодействии системы с окружением (примеры: толщина следа ручки проявляется при взаимодействии с бумагой; цвет корпуса ручки – с полихроматическим светом, масса физического тела – при гравитационном взаимодействии с другим телом). Параметры отражают исключительно материальные явления и объекты. Каждый ТО обладает бесконечным количеством свойств, среди которых принято выделять существенные для той или иной задачи человека (примеры: цвет коврика в автомобиле, количество молекул в катоде растрового электронного микроскопа, шероховатость корпуса вакуумного насоса к существенным параметрам не относятся; время разгона автомобиля до 100 км/ч, разрешающая способность растрового электронного микроскопа, предельное остаточное давление вакуумного насоса – существенные параметры).ПризнакПризнак – это искусственно вводимая субъективная характеристика. Бывают реальными и абстрактными. ^ Реальный признак – признак, осуществляющий разбиение множества значений параметра на непересекающиеся подмножества (пример: в соответствии разным диапазонам длин волн света каждый человек устанавливает значения признака "цвет" согласно своему чувственно-образному восприятию параметра "длина волны"). Между значениями реальных признаков и параметров, есть соответствия типа: "Если значения параметра лежат в диапазоне от "А" до "Б", то значение признака равно "В" и наоборот" (пример: если длина волны света лежит в диапазоне от 620 до 740 нм, то воспроизводимый ей цвет – красный).^ Пример формирования значений реального признака "рост" (общепринятая рубрикация длины тела человека: Признак "рост" Параметр "длина тела", см для мужчин для женщин Карликовый Очень малый [130, 150) [121, 140) Малый [150, 160) [140, 149) Ниже среднего [160, 164) [149, 153) Средний [164, 167) [153, 156) Выше среднего [167, 170) [156, 159) Большой [170, 180) [159, 168) Очень большой [180, 200) [168, 187) Гигантский > 200 > 187 Абстрактный признак – признак, не связанный с одним конкретным параметром. Может быть поставлен в соответствие ряду параметров (примеры: признак "надежность" поставлен в соответствие параметрам "ресурс", "наработка на отказ", "коэффициент готовности" и "время восстановления"; признак "качество" поставлен в соответствие целому ряду функциональных, эксплуатационных и экономических параметров), либо вообще не иметь связи ни с одним параметром (примеры: значимость, сложность, вид, эргономичность).Имена параметров и признаковДля большинства параметров и признаков существует установившаяся терминология. Зачастую, если признак поставлен в соответствие одному параметру, имя признака совпадает с именем параметра (пример: масса, длина тела, стоимость). В этом случае определить, параметр или признак обозначает имя характеристики, возможно по её значению (пример: если "рост" человека равен 168 см, то в этом случае "рост" является параметром; если "рост" человека – "выше среднего", то в этом случае "рост" является признаком).Связи параметров системыВ любой системе присутствует связь параметров друг с другом следующих видов: между параметрами элементов системы одного уровня иерархии, между параметрами элементов системы разных уровней иерархии. Рис. 1 – Абстрактный граф связей параметров Иерархической структуре системы соответствует иерархия связей параметров. Анализ связей параметров осуществляют в виде графа, в котором вершинами являются множество параметров системы как целого и его элементов, а ребрами – множество связей между параметрами, отражающие их влияние друг на друга. Для удобства чтения граф связей параметров совмещают с иерархической структурой системы. На рис. 1 представлен абстрактный граф связей параметров, в котором рёбра, отмеченные пунктирными линиями, соотвествуют отношениям включения, а, отмеченные сплошными линиями – связям параметров.Задачи построения графа связей параметров: Формирование дерева целей проектирования систем. Определение влияния одного параметра на другой с целью нахождения в системе противоречий. Выявление неизвестных ранее взаимосвязей.Цели проектирования технических системЦели проектирования являются важной системной характеристикой процесса разработки новых технических систем (ТС) и модернизации существующих, обеспечивающей направленность их поиска и синтеза. Для ТС потребности человека и общества, которые необходимо достичь в процессе ее эволюции, выражаются в виде некоторых желаемых значений параметров, определяющих целевое состояние системы. ^ Цель проектирования ТС – улучшение значения параметра ТС до некоторого значения (примеры: уменьшить расход чернил ручки до 0,1 мл/км; увеличить разрешающую способность растрового электронного микроскопа до 2 нм; повысить эргономичность ручки; снизить расход топлива двигателя)., где Ц – цели проектирования, И – множество отношений типа "изменить" ("увеличить", "уменьшить"), Р – множество параметров, З – множество значений параметров.Допускается оставлять множество З пустым. В этом случае, цель задаётся качественно. Предпочтительнее давать количественное описание цели, чем качественное (пример: "повысить КПД редуктора до 80%" предпочтительнее, чем "повысить КПД редуктора").Дерево целей проектирования технических системВ ТС поставленные цели проектирования достигаются путем изменения параметров элементов системы различных уровней иерархии. Для того чтобы определить, параметры каких элементов нужно изменить, строят дерево целей проектирования. Для формирования дерева целей целесообразно использовать граф связей параметров, который содержит множество деревьев целей проектирования данной структуры ТС. Каждой исходной цели соответствует свое дерево. Если исходных целей несколько, тогда для каждой цели формируется свое дерево целей. Дерево целей формируют для каждой конкретной ситуации проектирования с учетом потребностей разработчиков и уровня совершенства научно-технической базы. Исходными данными для построения дерева целей являются техническое задание на систему и выбранный аналог или прототип, подлежащий модернизации. Последовательность построения дерева целей: построение в случае необходимости графа связей параметров (пример: рис. 1); формирование исходных целей проектирования; выявление связей исходных целей с параметрами подсистем нижележащих уровней на основе графа связей параметров; присвоение конкретных значений отношения типа "изменить" выявленным связям – "увеличить" или "уменьшить".На рис. 2 представлены два абстрактных дерева целей, построенные на основе абстрактного графа связей параметров, излбражённого на рис. 1.Рис. 2 – Абстрактные деревья целей проектирования ТСКлассификация целейИсходная (потребительская)ПодцельЭлементарнаяИсходная (потребительская) цель – цель, поставленная на уровне ТС как целого (примеры: увеличить разрешающую способность растрового электронного микроскопа до 2 нм; снизить предельное остаточное давление вакуумного насоса до 10-3 Па; уменьшить ширину топологии микросхемы до 50 нм). Исходные цели ставят путем сравнения требований к системе с параметрами существующих аналогов и прототипов. При разработке технического задания на ТС исходные цели определяют, анализируя недостатки и прогнозируя развитие системы.Подцель – цель, поставленная на уровне подсистем ТС (примеры: снизить сферическую и хроматическую аберрации электронно-оптической системы растрового электронного микроскопа; уменьшить несжимаемый объём рабочей камеры вакуумного насоса). Подцели определяются исходными целями ТС или подцелями вышестоящего уровня иерархии, включающего эти подсистемы.^ Элементарная цель – цель, поставленная на уровне деталей (примеры: уменьшить шероховатость корпуса вакуумного насоса; уменьшить радиус скругления катода растрового электронного микроскопа; увеличить сопротивление резистора в электрической цепи).Достижение требуемых исходных целей возможно за счет изменения надлежащих параметров структурных составляющих. Исходные цели определяют подцели, подцели – элементарные цели. Таким образом, достижение исходных целей возможно только путём достижения элементарных.