Развитие технических систем с учетом жизненного цикла изделия

Исследованы машины и технологическое специальное оборудование как явления и факторы в области понятий - техническая система и её жизненный цикл

При анализе технической системы (ТС), в том числе специального назначения (ССН): самолеты, вертолеты, суда и другие, её целесообразно рассматривать комплексно, а именно: с одной стороны как элемент в системе «сфера применения (эксплуатации)», а с другой – как элемент в системе «сфера производства», поскольку факторы, характеризующие системы, в достаточной степени независимо воздействуют. Подобный сложный объект назвали ТС ОСН. Воздействие, как правило, носит специфический характер. В то же время, через компоненты технической системы осуществляется связь указанных систем «сфера эксплуатации» и «сфера производства».

Выявление влияние различные внешних и внутренних факторов и взаимосвязей технико-экономического уровня является задачей системного анализа технических систем. Это свойственно всем техническим системам, таким как различные машины (автомобиль, самолет, вертолет и т. п.) и технологическое и специальное оборудование (пожарная техника, комплексы управления, станции слежения) специального назначения. или сокращенно – системы специального назначения – (ССН).

Теория систем рассматривает любую машину [1] как техническую систему, поскольку ей присущи первичные признаки, которые определяют ее как систему, относящуюся к области техники, имеющую технические параметры, связи между параметрами, выражаемые естественные законы и др. Экономические параметры той же системы определяются не только ее техническими свойствами, но и внешними экономическими факторами, например, принятые принципы ценообразования при изготовлении изделия и т. п, поэтому важно установить существующие и особые взаимосвязь между величинами входных и выходных базовых показателей, например, габариты и конструкция редуктора несущего винта вертолета будут однозначно определяться величиной его передаточного отношения, что не зависит от завода создателя редуктора.

Укажем, что экономические параметры, например, для редукторов одинаковой конструкции, с одинаковыми характеристиками, будут различны для различных стран-изготовителей, для разных заводов, типов и назначений вертолетов, поскольку их определяют не только технические параметры, но и такие факторы, как технологии производства, производственные отношения, организационно-технический уровень и структура производства.

Проводимый системный анализ взаимосвязей ТС со сферами ее эксплуатации и производства важен еще и потому, что он является обязательным этапом в прогнозировании технико-экономического уровня изделия, предшествующим этапу разработки модели развития объекта. Именно на этом этапе выделяются наиболее существенные факторы и показатели самой ТС и прогнозного фона, оказывающие влияние на технико-экономический уровень, и устанавливаются обобщенные характеристики систем, на основе которых в дальнейшем могут быть сформированы критерии оптимальности технико-экономического уровня машины.

Система ССН является не изолированной системой, поскольку она вступает во взаимодействие с внешней средой, и в этом взаимодействии проявляется функция (или функции) системы, т.е. степень достижения той цели, для которой данная техническая система создана. При этом необходимо помнить, что взаимодействие многих технологических факторов имеет сложный характер на этапах жизненного цикла изделий (ЖЦИ), а не только на этапе изготовления деталей и узлов, где проявляется ярко выраженная технологическая наследственность процессов цепочки: проектирование-получение заготовки- собственно производство-эксплуатация.

Всегда в технической системе существуют два основных фактора: вид компонентов (элементы) и их взаимосвязи. Принято, что подсистема – это такая часть системы, которая может быть подвергнута декомпозиции, т.е. расчленению на другие подсистемы и элементы, а элементом является относительно нерасчленимый компонент системы. Элементы (компоненты -К_i) - это множество вида {К₁, К₂, …, К_N}. Взаимосвязи (C_i) - это множество вида {С₁, С₂, …, С_N }.

Для упрощенного анализа систему целесообразно расчленять только до уровня подсистем. Тогда эти подсистемы рассматриваются как элементы, хотя каждый этот элемент может быть в принципе расчленен на подсистемы более низкого уровня или элементы. Так, для анализа и прогнозирования развития конструкции ОСН целесообразно расчленять ее до уровня узлов, имеющих самостоятельное функциональное назначение. Сами границы расчленения системы устанавливаются, исходя из целей анализа и степени сложности системы и ее компонентов.

Считается, что каждая система – это не сумма или набор компонентов К_N, а целостное образование с определенной внутренней организацией, называемой структурой объекта - STR(I).

При исследовании любой системы, включая оптимизацию, большую важность приобретает ее структурный анализ, предметом которого являются отношения между компонентами системы структура объекта это выражение: STR(I). ={ (К₁, К₂, …, К_N), (С₁, С₂, …, С_N )}.

Укажем, что в теории структурного анализа обычно различают три типа отношений [1]: интердепендия (взаимозависимость между подсистемами и элементами); детерминация - односторонняя зависимость, когда состояние одного компонента определяет состояние другого; консцелляция (компоненты не находятся в отношениях друг с другом, но совместимы в одной системе).

Установление структуры системы тесно связана с проблемой функции системы, т.е. ее способности осуществлять некоторые действия. При этом функция системы делится на подфункции, которые предписываются подсистемам и элементам. Функциональный аспект является одним из важнейших в системном анализе, поскольку изучает и определяет круг функций, которые должны выполнять система и ее компоненты [2].

Реализация функции и подфункций системы зависит от состояния системы, от того, как она взаимодействует с внешней средой.

Потенциальные возможности функционирования системы, присущие ей внутренне, ограничиваются воздействием на систему внешней среды. Это относится как к статическому состоянию системы, так и к ее динамике – потенциальные (возможные) направления и темпы изменений ТС ограничиваются (сужаются) направлениями и темпами изменений внешней среды, что должно учитываться при анализе и прогнозе развития ТС и прогнозного фона. В соответствии с этим исследуемое техническое изделие рассматриваем, как неизолированную техническую систему, которая характеризуется входом, внутренней структурой и выходом.

В общем случае вход системы может представлять собой вектор , компоненты которого характеризуют внешние факторы, действующие на систему, причем эти факторы могут быть не взаимосвязанными. Указанными компонентами могут быть параметры условий эксплуатации, параметры смежных систем, параметры условий производства (если рассматривать ТС как объект производства) и т. п. При этом внутренняя структура системы может быть описана вектором , компоненты которого характеризуют собственно параметры машины (конструктивная масса, мощность двигательной установки, рабочие скорости, надежность узлов и т.п.), причем между многими из этих параметров может и не существовать функциональная взаимосвязь.

Эти параметры изделия, как системы, могут быть выходными параметрами ее компонентов и параметрами процессов взаимодействия компонентов.

Любой выход системы может быть описан вектором _,компоненты которого характеризуют параметры процесса воздействия системы на внешнюю среду. Именно эти параметры, в первую очередь, интересуют потребителя данного изделия.

Для полного описания системы необходимо знать уравнения связи взаимодействия внешней среды и системы, как между параметрами системы, так и между параметрами системы и параметрами внешней среды (входа). Одна из форм записи такова

(1)

где .

Таким образом, векторы Х, А, Yописывают состояние объекта в один и тот же фиксированный момент времени. Анализ развития системы, выявление тенденций ее развития и разработка прогнозов ее будущего состояния вызывают необходимость представления ТС как динамической системы. В этом случае вход системы может быть описан вектором , а сама система - вектором . Выход - вектором компоненты, которых зависят от времени.

Соответственно уравнение связи между параметрами будет иметь следующий вид:

_. (2)

Решение уравнения (2), моделирование зависимости технико-экономического уровня ССН от различных параметров и времени,– это конечная цель разработки прогноза развития изделия.

Данное уравнение связиможет выражать зависимость потенциального технико-экономического уровня ССН от параметров, характеризующихся как самой системой, так и её прогнозным фоном.

Для установления более полных связи следует проанализировать два основных состояния ТС как объекта производства и как объекта эксплуатации (применения). В этих состояниях изделие должно рассматриваться, как часть систем более высокого порядка. Для достоверности и результативности такого анализа необходимо поэтапно обособлять компоненты системы, все более сужая границу, выделяющую анализируемую часть системы.

Одной из основных задач анализа и совершенствования системы является достижение ее оптимизации, и приведение ее в оптимальное состояние в соответствии с целью функционирования. В этой связи можно выделить минимум две задачи оптимизации системы: это выбор наилучшего варианта из возможных состояний системы и выбор наилучшего направления поведения системы.

Обычно первая задача решается для статической системы, вторая –для динамической, но при решении любой из них необходимо сравнение достигаемого состояния системы с критерием (или критериями) оптимальности ее состояния. В общем случае могут существовать несколько критериев оптимальности разных уровней, поэтому могут быть не один, как на рисунке, а несколько контуров обратной связи.

Вывод. Предложено рассмотрение сложного объекта в виде машин различного назначения и технологического специального оборудования с учетом явлений технологической наследственности. Предложено математическое описание существующих взаимосвязи базовых факторов системы и процессов их функционирования, определяющих этапы изготовления, эксплуатации и развития технических систем, что является основными этапами жизненного цикла изделия. Полученные уравнения связимогут выражать зависимость потенциального технико-экономического уровня объекта от параметров, характеризующихся сложной системой.

Литература

1. Хубка В. Теория технических систем / В. Хубка – М.: Мир, 1987.– 208 с.

2. Старов В.Н. Моделирование технических систем с учетом технологической наследственности объектов машин и оборудования / В.Н. Старов, М.Н. Краснова.- Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. – 140 с.

ФГБО ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России, Воронеж

Военный учебно-научный центр ВВС «ВВА» (г. Воронеж)

Национальный авиационный институт. Украина, Киев

УДК 303.1

В.Н. Старов, В.А. Жулай, В.Ф. Лазукин, А.Н. Внуков