Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" icon

Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов"




НазваниеМетодические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов"
Дата конвертации15.07.2013
Размер321.58 Kb.
ТипМетодические указания
источник

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


по изучению дисциплины:


ТЕОРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ”

для студентов IІI курса заочной формы обучения

по специальности 8.090220 - „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов”.




Утверждено на заседании

кафедры оборудования химических

производств


Протокол № 12 от 27.12.2006 р.


Днепропетровск

УГХТУ

2007


СОДЕРЖАНИЕ


Вступление…………………..……………………………………..….3


  1. Основные понятия и принципы теории систем ..………......4




  1. Иерархическая структура химических производств ….5




  1. Программный пакет параметрического моделирования

SolidWorks …...…………………………………………………..…..6


  1. Программа «eDrawings» пакета SolidWorks ………………..7




  1. Рекомендуемая литература ……………………………………8




  1. Индивидуальные задания для выполнения контрольной работы…13



ВСТУПЛЕНИЕ


Актуальной современной задачей является создание эффективных технических систем – механизмов, машин, установок, роботов и пр. Теория технических систем – это наука о том, как анализировать и создавать такие системы.

Главное в курсе «Теория технических систем» - это знание, понимание и умение использовать системный анализ. При изучении курса студенты должны приобрести первоначальные знания и умения по системному анализу и практике его применения. Это поможет им далее понимать и уметь решать проблемы при решении комплексных задач создания оптимальных химико-технологических производств

 На практических занятиях студенты самостоятельно будут реализовывать синтез аппаратов из структурных составляющих, элементов. Выполнение этих работ будет выполняться на персональных компьютерах с использованием самых современных программ. Работа сданными программными пакетами позволит в подробностях рассмотреть конструкции модулей, аппаратов, установок (на соответствующих объемных моделях) и реализовать процедуры анализа, декомпозиции, синтеза, не выходя из компьютерного зала.

^

1. Основные понятия и принципы теории систем.



Фундаментальная проблема общей теории систем – выяснение законов, определяющих принципы образования, поведения и развития любых реальных систем, где под системой понимают множество элементов произвольной материальной и абстрактной природы, находящихся в некоторых заданных отношениях друг к другу.


Под системой понимается множество элементов произвольной природы, которые связаны между собой и образуют определенную целостность.


Определение термина “система”, а именно: система - это многоуровневая конструкция из взаимодействующих элементов, объединяемых в подсистемы нескольких уровней для достижения единой цели функционирования (целевой функции).


^ СИСТЕМНОСТЬ КАК СВОЙСТВО МАТЕРИИ


1.1. Системный анализ как прикладная диалектика. Во второй половине прошлого века в разных сферах практической деятельности стали появляться научные направления, связанные с решением проблем, характерных для сложных и очень сложных систем. Эти направления получали разное название: в инженерной деятельности – "методы инженерного творчества", "системотехника"; в военной области– "исследование операций"; в научных исследованиях прикладного характера – "имитационное моделирование" и т. д. Впоследствии оказалось, что все эти направления содержат много общего. Формирование этого общего в единую методологию на основе исследования особенностей систем составляет сущность системного анализа.

Остановимся на некоторых особенностях системного анализа как научной дисциплины.

1.^ Курс системного анализа носит междисциплинарный характер. На рис.1.1 изображен фрагмент иерархической структуры научно-технического знания с указанием места, которое занимает в этой структуре системный анализ. Здесь следует обратить внимание на область наук междисциплинарного характера. Такой классической наукой, как известно, является математика, применимая к любой области знания. Аналогичный статус занимает кибернетика, возникшая в середине прошлого века, а также общая теория систем. К ним же можно отнести и системный анализ, который, используя положения как кибернетики так и общей теории систем, делает, тем не менее, акцент на прикладные вопросы.

2.В инженерной практике системный анализ акцентирует внимание на правильную (системную) постановку задачи, а не только на ее формальное решение. Большое внимание здесь уделяется задачам оптимального проектирования, выбору критериев оптимальности.

3.Своеобразным теоретическим ядром системного анализа являются энтропийно-информационные понятия. В традиционных подходах используется в основном классическая вещественно-энергетическая компонента. "Первое, и быть может главное, отличие подхода к изучению любого объекта как системы, а не просто объекта, и состоит в том, что мы ограничиваемся не только рассмотрением и описанием вещественной и энергетической его стороны, но и (прежде всего) проводим исследование его информационных аспектов: целей, сигналов, информационных потоков, управления, органи-зации и т.д."[1, с.125].

4.^ Курс системного анализа имеет методологическую направленность, т.е. ориентирует на применение некоторых общих принципов при решении сложных задач, часто не претендуя на однозначность. Очень хорошо иллюстрирует эту особенность шутливое определение системного подхода: "системный анализ это неудовлетворительный метод решения задач в условиях, когда другие методы дают еще худшие результаты". Именно методологическая компонента, содержащая определенную философскую нагрузку, придает курсу междисциплинарный характер и служит связующим звеном между гуманитарными и техническими знаниями, что является одной из задач любого технического университета. Эта же особенность вызывает некоторые трудности в усвоении курса для студентов технических вузов, привыкших преимущественно к формальной (математической) логике.

Авторы первого учебного пособия по системному анализу [1] рассматривают системный анализ как прикладную диалектику. В этой связи полезно напомнить о месте диалектического метода в современной философии. Напомним, что в самой общей формулировке диалектика – это учение о развитии.

Можно выделить четыре главных философских направления в зависимости от характера ответа на два основополагающих вопроса [2].

  1. Существует ли что-либо кроме материального мира?

  1. Признается ли помимо формально-логического мышления существование также интуитивного мышления?

Положительный ответ на первый вопрос предполагает наличие некоторых сущностей вне материальных объектов (бог, космический разум, высший дух и пр.). Критерии, которым пользуется наука, не позволяют ей дать положительный ответ на первый вопрос: религия покоится на вере, наука же, наоборот, во всем ищет повода для сомнений. Отрицательный ответ на первый вопрос объективно относит исследователя к материализму, а положительный – к идеализму.

Остается теперь два возможных ответа на второй вопрос. Часть ученых придерживается точки зрения, согласно которой только формально-логическое мышление заслуживает доверия в научных доказательствах. Другие не согласны с этим утверждением, – если природа системна, то и мышление человека, даже если оно интуитивно, также системно и может содержать элементы истины. Известно, например, что А.Эйнштейн придавал большое значение научной интуиции.

Эти два разных ответа делят идеалистов на субъективных и объективных позитивистов, а материалистические взгляды приводят к метафизике и диалектике (см. табл.1.1).

Выделим основные признаки системности. К ним, обычно, относят: структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели

В этом несложно убедиться практически на примере любой системы.

Табл. 1.1

О т в е т ы н а п е р в ы й в о п р ос

Д а

Нет

И д е а л и з м

М а т е р и а л и з м

О т в е т ы н а в т о р о й в о п р о с

Да

Нет

Да

Нет

Объективн.

позитивизм

Субъективн

позитивизм

Диалектика

Метафизика


Возьмем, например, вуз в качестве такого объекта. Здесь легко выделить структурированность: вуз как целое, факультеты, студенческие группы, учащиеся. Этот же объект можно структурировать по административному признаку: ректорат – административные подразделения. Наличие связей между структурными элементами не вызывает сомнения. Это же можно сказать и относительно цели вуза.

Рассмотрим далее в чем и как проявляются основные признаки системности на примерах, относящихся к человеческой деятельности.

^ 1.2.Системность практической деятельности. Рассмотрим в историческом плане процесс повышения производительности труда и попытаемся найти заложенные в нем признаки системности.

Простейший и исторически первый способ повышения эффективности человеческого труда – механизация. Полезность механизации не требует пояснений. Однако механизация имеет естественный предел. Механизмами надо управлять и, по крайней мере, в некоторых случаях лучше выполняют эту функцию автоматы.

Так появляется новый этап в процессе повышения производительности труда – автоматизация. Автоматизация основана на жестком алгоритме действий, заранее заложенным человеком в автоматизированную систему. В случае нештатной ситуации вмешивается человек. Нельзя ли и в нештатных, т.е. непредвиденных случаях обойтись без человека?

Последнее возможно лишь при наличии "искусственного интеллекта". Такие системы в настоящее время уже создаются, а новый этап в процессе повышения производительности труда называют кибернетизацией.

Таким образом, в эволюции процесса повышения производительности труда мы легко различаем признаки системности – структурированность (механизация, автоматизация, кибернетизация); взаимосвязанность (например, автоматизация не могла возникнуть раньше механизации и т.п.).

Что касается третьего основного принципа системности – "наличия цели", то естественно, что на этапе механизации никто не ставил глобальной цели, связанной, например, с будущей кибернетизацией. К кибернетизации подводит
п р о ц е с с э в о л ю ц и и в сфере производственной деятельности. Таким образом, вопрос о цели или, как выражаются философы, о целеполагании не столь простой, как это представляется на первый взгляд, и он будет рассмотрен отдельно. Здесь же ограничимся замечанием о наличии локальной цели, которую, несомненно, ставит специалист, задумываясь о повышении эффективности того или иного производства.


^ 1.3. Системность познавательной деятельности. С древнейших времен человека интересует устройство мира, в котором он живет. Процессу познания помогает наличие у человека аналитического образа мышления. Сущность анализа состоит в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых составляющих, в поиске проявления структурированности. Вспомним примитивные первые представления человека о мире, который образуют земля, вода, воздух, огонь… Но для познания целого необходим и обратный процесс – синтез. Человек, как продукт природы, обладает не только аналитическим, но и синтетическим стилем мышления, которые образуют естественное системное мышление человека. В этом смысле задача курса системного анализа заключается в понимании такой особенности процесса мышления и сознательном повышении уровня его системности.

Сказанное относится не только к индивидуальному мышлению, но и к общечеловеческому процессу накопления знаний вообще. Так, аналитичность человеческого знания находит отражение в существовании различных наук, в их продолжающейся дифференциации, выделении все большего числа объектов для исследования. Например, в последние годы прошлого века из классической механики выделилась квантовая механика, а на ее основе была создана квантовая теория поля, появилась специальная теория относительности как механика околосветовых скоростей; в свою очередь это привело к появлению общей теории относительности, или теории тяготения.

Однако обозначился и обратный процесс – синтеза знаний. Одной из форм его проявления явилось появление так называемых "пограничных наук" о чем свидетельствуют их названия: физикохимия, биохимия, биофизика и др. Другая, более высокая форма организации синтеза знаний, реализуется в появлении наук, отражающих самые общие свойства природы. К ним относятся и системные науки: кибернетика, теория систем, теория организации и др. В них необходимым образом соединяются технические, естественные и гуманитарные знания [1].


^ 1.4. Системность как объект исследования. Обсуждение проблем, близких к системным, уходят в глубь веков. Здесь конспективно отметим лишь исследования, в которых системность в основном увязывается с естественными и техническими науками.

Первым вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил хорошо известный французский физик и математик А.М. Ампер (1775 – 1836). В конце своей жизни он разработал классификацию наук, в которой выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее к и б е р н е т и к о й. В кибернетике Ампера впервые подчеркиваются системные особенности предмета исследования.

В 1843г. вышла книга польского философа Б. Трентовского "Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом" Трентовский ставил целью построения научных основ практической деятельности руководителя. Он писал: «Применение искусства управления без сколько-нибудь серьезного изучения соответствующей теории подобно врачеванию без сколько-нибудь глубокого понимания медицинской науки».

Значительный вклад в изучение общих свойств систем внес русский философ, медик по профессии, А.А. Богданов (1873 -1928). В 1911 – 1925 гг. вышли три тома его известной книги «Всеобщая организационная наука (тектология)». Хотя Богданов не дает строгого определения понятия организованности (см. об этом в п.4.6.), тем не менее, отмечает, что уровень любой организации тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы свойств его частей. Большое место в тектологии уделяется закономерностям развития организации, взаимодействию собственных целей организации с целями ее соподчиненных частей и др. Об актуальности идей Богданова свидетельствует сравнительно недавнее переиздание тектологии [3].

1948 г. – год начала современного этапа развития системных представлений. Вышла в свет «Кибернетика» американского математика Н.Винера [4]. Первоначально кибернетика Винера вызвала «небольшой шок» среди научной общественности, поскольку претендовала на рассмотрение как технических, так и биологических, экономических и даже социальных проблем. В нашей стране кибернетика была встречена даже враждебно. Этому частично способствовали неосторожные заявления кибернетиков о «мыслящих машинах», что истолковывалось в буквальном смысле. С кибернетикой Винера связаны такие продвижения в развитии системных представлений как осознание понятия информации в качестве всеобщего свойства материи и количественное описание категории информации, выделение принципов оптимальности в проектировании и управлении, развитие методов моделирования на основе «расчетного эксперимента» и др.

В определенной степени независимо от кибернетики в этот же период развивается общая т е о р и я с и с т е м, родоначальником которой считается австрийский биолог Л.Берталанфи. Ему принадлежит начало систематического изучения особенностей о т к р ы т ы х с и с т е м, обменивающихся с окружающейся средой веществом, энергией и информацией (отрицательной энтропией).

К этому же периоду относятся работы канадского биолога и кибернетика Эшби (см. п.4.7).

Исследование открытых систем методами
н е р а в н о в е с н о й термодинамики продолжает бельгийская школа, которую до недавнего времени возглавлял Нобелевский лауреат И.Пригожин. Как считает И.Пригожин в книге с характерным названием «Конец определенности» «За последние десятилетия родилась новая наука – физика неравновесных процессов, развитие которой привело к возникновению таких новых понятий, как самоорганизация и диссипативные структуры, повсеместно используемые ныне в широком спектре дисциплин от космологии, химии и биологии до экологии и социальных наук»[5]. Под диссипативными здесь подразумеваются организованные структуры, которые образуются вдали от термодинамического равновесия.

В кратком обзоре системных исследований следует выделить работы научной школы под руководством академика АН СССР В.В.Кафарова ( Московский химико- технологический университет им. Д.И. Менделеева). Они были первыми широкими исследованиями по применению методов кибернетики в химии и химической технологии [6].

Наконец, следует также назвать работы, проводимые в Московском государственном университете инженерной экологии, в которых был сделан переход от классической термодинамики к нелокальной, квантово- релятивистской, версии термодинамики с дискретной пространственно-временной метрикой [7, 8].

Освобождение классической термодинамики от идеализации сплошной, непрерывной среды привело к многочисленным новым следствиям фундаментального и, следовательно, системного характера. Некоторые из этих следствий нашли отражение в содержании настоящего учебного пособия и приложении.

В заключение краткого обзора стоит обратить внимание на разнообразный профиль ученых, принявших участие в формировании системных представлений: философы, математики физики, биологи и др. Последнее вполне логично, если учесть общенаучный характер системных исследований.


В заключение приведу соображения, изложенные в работе[1]: «Наращивание системности знаний – естественный процесс, происходящий во всех областях человеческой деятельности стихийно (как результат обратной связи через практику, как форма развития). Осознание же системности нашего познания и окружающего мира – это более высокий уровень системности знаний, и оно происходит труднее, медленнее, с отставанием, задержками и петлянием, свойственными процессам блуждания и поиска. Это не бесцельное, хаотическое блуждание, а процесс поиска истины, в котором возможны задержки и ошибки, но его содержание и смысл не в них, а в продвижении к истине».


^ 2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ


2.1. Системообразующие характеристики. Cуществует несколько десятков различных определений системы, но отсутствует одно общепринятое. Тем не менее все понимают о чем идет речь. Приведем наиболее часто употребляемые формулировки

Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных единой целью.

Техническая система есть комплекс взаимосвязанных технических средств, обеспечивающих преобразования массы, энергии и информации.

Система в химической технике есть совокупность физико-химических процессов и средств для их реализации. Под средствами подразумевается как аппаратура, так и система управления процессом.

Далее приводится определение, взятое из последнего издания Советской энциклопедии:

«Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которые образуют определенную целостность, единство».

В этом определении под отношением понимается вид связи; примеры отношений: причина – следствие, часть и целое, аргумент и функция и т.д.

На рис.2.1 представлена типичная система из области химической техники – трехколонная ректификационная установка, предназначенная для разделения четырехкомпонентной жидкой смеси на отдельные в достаточной степени чистые компоненты А,В,С,D. На примере этой системы рассмотрим главные системообразующие характеристики, которые в тексте выделены курсивом

Несложно уяснить, что представленная система состоит из трех элементов – ректификационных колонн. Однако понятие элемента условно и зависит от постановки задачи. Например, каждая колонна включает в себя определенное число массообменных устройств – массообменных тарелок. Тогда их можно принять в качестве элементов, а любая ректификационная колонна будет считаться подсистемой.

Определение системы столь же условно, как и определение элемента. Представим, что питание в первую колонну поступает из реактора. Тогда при совместном рассмотрении ректификационной установки и реактора ректификационная установка будет лишь подсистемой соответствующего уровня.

Элементы и подсистемы имеют связи. Связи могут быть материальные, энергетические и информационные.

Составляющие системы вместе со связями образуют структуру системы. Структура может быть однородной, если состоит из однотипных элементов (ректификационная установка), либо неоднородной (ректификационная установка, рассматриваемая совместно с реактором).

Соподчиненность типа элемент – подсистема – система образует иерархию системы; в данном примере с тремя иерархическими уровнями.

В любой системе можно выделить окружающую среду – окружение.

Связь системы с окружением осуществляется через входные и выходные параметры системы. В системах химической техники это обычно параметры, характеризующие входные и выходные потоки в системе. Входные параметры делятся на неуправляющие и управляющие. Значения неуправляющих параметров зависят от окружения, например, от режима реактора. Значения управляющих параметров назначаются в соответствии с требованиями управления. Этими параметрами можно управлять режимами системы. Например, для процесса ректификации управляющими параметрами обычно выступают количество подаваемого пара в кипятильник колонны и количество отбираемого продукта.

Управление увязано с целью системы. В данном случае речь идет о получении продуктов А,В,С,D необходимого качества.

К а ч е с т в о д о с т и ж е н и я ц е л и, т.е. указание на то, с какими затратами достигнута цель, определяет системное понимание эффективности системы.

Типичным системным свойством является понятие эмерджентности, или интегративности – система не повторяет свойства элементов, из которых она состоит. В этом случае говорят, что в системе развиваются присущие только ей системные свойства. Классический пример – такие понятия как температура, давление типичные макроскопические свойства системы многих частиц.

К системным относятся также такие характеристики системы как надежность[9], устойчивость (см. п.2.6), организованность системы (см. п.4.7) и некоторые другие понятия.


^ 2.2. Субъективные и объективные цели. Остановимся подробней на понятии цели системы. Это не столь очевидное понятие, если оно относится к природным системам. Действительно, о какой цели можно говорить, если речь идет о живом организме как некоторой системе. Кто эту цель сформулировал или просто хотя бы имел в виду? Цель и целеполагание это один из вопросов, который упирается в философское мировоззрение. Например, не исключается и такой ответ: «Все природные объекты имеют божественное происхождение», что вполне в духе времени. Такой ответ, однако, не удовлетворит человека, обладающего системным мышлением, поскольку в нем для объяснения привлечен новый объект, который сам требует объяснения (см.п.1.1).

Диалектика развития материального мира такова, что все природные объекты проходят эволюцию. Тогда будущие состояния природных систем можно рассматривать как объективные цели. В такой трактовке цели технических систем, сформулированные человеком, есть субъективные цели.


^ 2.3. Классификация систем. Рассмотрим классификацию систем по основным признакам.

· По природной принадлежности системы можно разделить на естественные, созданные природной эволюцией, и искусственные. К последним относятся все технические системы, созданные человеком. Предлагается также [1] по этому признаку делить системы на природные, технические и социотехнические. Под социосистемами подразумеваются системы, в которых участвуют коллективы людей, чьи интересы существенно связаны с функционированием системы.

· По характеру связи параметров системы с временем различают статические и динамические системы. Параметры первых не изменяются со временем. Характеристики динамических систем, как известно, зависят от времени. Например, выход технологической установки на стационарный режим осуществляется в динамическом режиме. Различают два типа динамики систем: функционирование и развитие. При функционировании цель системы не изменяется. Развитием называют то, что происходит при корректировке целей системы, например процесс перехода от периодического производства к непрерывному. Эволюция природных систем всегда – развитие.

· По характеру связей параметров системы с ее геометрией в области химической техники выделяют системы с сосредоточенными и распределенными параметрами. Типичным примером системы с сосредоточенными параметрами является реактор идеального смешения. Если А есть некоторый параметр такой системы, например температура, то для нее производная ¶А/¶x=0, где х – координата. В системе с распределенными параметрами (например, колонный массообменный аппарат) ¶А/¶x¹0, т.е. температура, концентрации компонентов и некоторые другие параметры изменяются по высоте аппарата.

Системы идеального смешения описываются обычными алгебраическими уравнениями. Системы с распределенными параметрами требуют использования для своего описания дифференциальных уравнений.

· По характеру связей между входными и выходными параметрами системы делятся на детерминированные и вероятностные. Детерминированные системы имеют «жесткую», т.е. однозначную связь между входными и выходными параметрами системы. Классическими детерминированными системами являются механические системы. Классическими вероятностными системами являются живые организмы. Например, реакцию живого организма (отклик) на внешнее (входное) воздействие можно предугадать лишь приблизительно.

Объекты химической техники можно рассматривать как детерминированные системы только благодаря явлению эмерджентности (см. п.2.1). Действительно, технические системы имеют дело с макроскопическим количеством вещества, в котором стохастические свойства микроуровня проявляются достаточно редко.


^ 2.4.Открытые системы. Отдельно следует остановиться на термодинамической классификации по характеру связей параметров системы с окружающей средой.

Изолированные системы – не обмениваются с окружающей средой ни массой, ни энергией.

Закрытые системы – не обмениваются с окружающей средой массой.

Открытые системы – обмениваются с окружающей средой массой и энергией.

Эта классификация очень важна для понимания сущности эволюции в живой природе по принципу – «от простого к сложному». На первый взгляд, это противоречит второму началу термодинамики, согласно которому в природе самопроизвольно идут только процессы с повышением энтропии – «от сложного к простому». Дело здесь в том, что все высокоорганизованные структуры, обладающие малой энтропией, являются открытыми системами. За счет своей открытости во время функционирования они как бы передают часть своей энтропии окружающей среде. Это, естественно, относится и к открытым техническим системам. Если теперь проследить за тем как ведет себя энтропия общей системы, «окружающая среда плюс природные объекты», то окажется, что в полном соответствии со вторым началом термодинамики энтропия такой глобальной системы будет повышаться. Особенно усиливает этот процесс хозяйственная деятельность человека. В этом сущность экологической проблемы. Естественно человек, как «венец природы» пытается замедлить рост энтропии. В настоящее время к этому сводятся, практически, все усилия экологов.

Согласно второму началу термодинамики рост энтропии закономерно должен привести к «тепловой смерти Вселенной». Но если это верно, то почему же это событие не случилось раньше? Это едва ли не самый трудный вопрос для классической термодинамики, да и для физики в целом

Сегодня считается, что в проблеме «тепловой смерти» нельзя полагаться на классическую термодинамику, так как она не учитывает наличие гравитации. В последние годы апробируется новая версия термодинамики, в которой удалось устранить недостатки классической термодинамики. Правда, это удалось достичь достаточно высокой ценой – пришлось отказаться от понятия точки (материальной, пространственной, временной), как объекта реальности. Чтобы понять, насколько велика эта «жертва» следует учесть, что это повлекло за собой отказ от использования понятия дифференциально малых величин. Новая теория квантово-релятивистского характера получила название нелокальной версии термодинамики (НВТ).

Согласно нелокальной версии термодинамики, учитывающей гравитацию, любая, даже классически понимаемая равновесная система, реально является открытой для гравитационного взаимодействия [7]. Это приводит к процессу понижения энтропии и самопроизвольному понижению температуры среды. Правда это явление в обычных условиях не проявляет себя и соответствует понижению температуры всего на 510-8 К за 1000 лет (!)

Принципиально, однако, что в природе процесс возрастания энтропии (второе начало термодинамики) уравновешен процессом самопроизвольного понижения энтропии (первое начало термодинамики, уточненное теорией НВТ). Равновесный процесс самопроизвольного понижения энтропии получил название в НВТ явления инфляции. Он связан с известным в космологии инфляционным расширением Вселенной. Явление инфляции дает ключ к пониманию, почему невозможна «тепловая смерть Вселенной».

Из сказанного можно было бы сделать вывод, что с учетом гравитации все системы являются открытыми. На самом деле это не так, но обсуждение этого вопроса увело бы нас от открытых систем в область космологии. Частично эта проблема освещается в п.3.8, а более подробно в приложении.

^ Большие и сложные системы. Рассмотрим одну из существующих концепций отличия понятия «большая система» от термина «сложная система». Фактически здесь речь пойдет о продолжении классификации систем по новому признаку – по ресурсной обеспеченности управления системой. С учётом этой классификации считается, что система управляется с помощью ЭВМ, т.е. предполагается (иногда мысленно) участие математического описания в управлении системой. По такой схеме необходимые ресурсы для управления системой можно разделить на энергетические, материальные и информационные.

Э н е р г е т и ч е с к и е затраты на управление обычно очень малы по сравнению с количеством энергии, потребляемой или производимой самой системой. Это обычные системы. Но встречаются и исключения, когда энергетические затраты на управление сравнимы с общими затратами; например, поддержание космического аппарата на орбите (управление) требует энергетических затрат, сравнимых с другими затратами. Согласно разбираемой классификации такие системы называются энергокритичными.

Под м а т е р и а л ь н ы м и ресурсами управления в случае использования ЭВМ, подразумевается объем памяти и машинное время. Такие ресурсы лимитируют возможности решения некоторых задач в масштабе реального времени. Имеется в виду, что время расчета параметров управления лимитировано, а результаты расчета должны быть получены «к нужному моменту времени». Если свойства системы таковы, что эти условия выполнить затруднительно, то такие системы предлагается относить к большим.

Наконец, третий тип ресурсов – и н ф о р м а ц и я, дает нам повод еще для одного способа деления систем. Если у нас нет надежного математического описания системы, и, следовательно, соответствующего программного продукта (информации) для управления системой, то такую систему будем называть большой.

Рассмотренная классификация систем отражена в табл.2.1.

Табл.2.1

Классификация систем

по ресурсной обеспеченности управления системой.

Ресурсы

для управления

Обеспеченность ресурсами




полная

недостаточная

Энергетические

обычные

энергокритичные

Материальные

малые

большие

Информационные

простые

сложные


Согласно этой классификации возможны четыре комбинации, подчеркивающие различие между большими и сложными системами. Существуют системы:

– «малые простые»; например, исправные бытовые приборы – для пользователя; неисправные – для мастера; замок с шифром – для хозяина.

– «малые сложные»; неисправные бытовые приборы – для большинства пользователей.

– «большие простые»; шифр для злоумышленника – система простая, поскольку требуется лишь перебор вариантов и одновременно большая, так как имеющегося времени может не хватить на вскрытие шифра.

– «большие сложные» системы; мозг, экономика, живой организм.

Другие возможные подходы к понятию сложности можно найти в работе [1].


^ По природе элементов различают материальные (конкретные, реальные) и абстрактные системы. Первые делят следующим образом:

- системы неорганической природы, например технические, физические, геологические, химические системы;

- живые системы - организмы, микроорганизмы, популяции, экологические системы.


По происхождению системы делят на :

- природные (образованные природой);

- искусственные (созданные людьми);

- смешанные.


Искусственные системы классифицируются на следующие группы:

  • Орудия труда

  • Механизмы

  • Машины

  • Автоматы

  • ЭВМ

  • Роботы

  • Базы данных

  • Базы знаний

  • Научные


В теории систем имеется свое "ядро", свой особый метод — системный подход к возникающим задачам. Сущность этого метода достаточно проста: все элементы системы и все операции в ней должны рассматриваться только как одно целое, только в совокупности, только во взаимосвязи друг с другом.


В связи с системами рассматриваются три типа задач:


1. Задача синтеза - задан характер функционирования и прочие требования к системе, нужно сформировать, синтезировать структуру из элементов более низкого иерархического уровня, которая удовлетворяет поставленным требованиям.


  1. Задача декомпозиции - задана структура, нужно определить функционирование системы.


3. Задача черного ящика - задана система, структура которой неизвестна или известна частично, нужно определить ее функционирование и, возможно, структуру.

^

Моделирование систем



Термин “модель” происходит от лат. modulus - образец. То есть модельявляется вспомогательным способом, который в определенной ситуации заменяет систему при исследовании ее свойств.

Модели могут быть не только материальными, но и идеальными, или абстрактными. Модели - это специальные системы, так что мир моделей – это системный мир. Особое значение в наше время приобретает математическое или машинно-информационное моделирование.

Из того, что модель есть целевым отображением некоторой системы или объекта, вытекает, что возможны различные модели того же самого объекта, ибо для различных целей нужны различные модели. Этот принцип многомодельности отображения объекта (явления) является одним из главных для современного системного анализа.


^ Общие принципы и методы системного анализа.

Принцип декомпозиции систем. Анализ и синтез систем.


Успех и значение анализа состоят не только в том, что целое разбивается на достаточно простые части, а и в том, что, объединяя, синтезируя эти части, можно вновь образовать целое. Момент воссоединения, агрегатирования частей в целое является конечным этапом анализа, что позволяет объяснить целое через части в виде структуры целого. Не только аналитический метод невозможен без синтеза (то есть агрегации частей в структуру), но и синтетический метод объединения частей в целое невозможен без анализа, так как необходима дезагрегация целого для пояснения функций частей.


Анализ и синтез дополняют, но не заменяют друг друга. Системные исследования соединяют оба указанных метода.

Операции разложения целого на части и объединения их в целое, то есть операции анализа и синтеза, в системных исследованиях называются декомпозицией и агрегатированием.

Анализ и синтез являются действиями, которые содержат простые операции декомпозиции и агрегатирования, которые, в свою очередь, можно разложить на мелкие элементы. При применении декомпозиции задача разделяется на подзадачи, система - на подсистемы, цели - на подцели и тому подобное. Повторяя этот процесс можно создать иерархическую древовидную структуру разделения.

Основой декомпозиции является модель системы. Поэтому полная декомпозиция (то есть то, насколько полон список частей целого) зависит от завершенности модели, ее полноты.
2. Иерархическая структура химических производств

В основу создания химических производств также положен системный подход, включающий декомпозицию системы, формирование иерархической структуры, координацию задач и т. д.

Рассмотрим иерархическую структуру ХТП . Каждый элемент низшего иерархического уровня является образующим, базовым, элементом последующего уровня


^ 1-й иерархический уровень: элемент аппарата (ЭА), например контактная ступень в колонном аппарате, перемешивающее устройство в реакторе и т. д.


2-й иерархический уровень: технологический модуль (ТМ) - единица оборудования минимальной сложности, выполняющая определенные технологические функции (нагревание, перемешивание, фильтрацию и т. д.). Примером ТМ является секция колонного тарельчатого аппарата, состоящая из цилиндрической царги и тарелок. ТМ может быть выполнен в виде неразборной конструкции либо из отдельных частей.


^ 3-й иерархический уровень: технологический аппарат (ТА) —технологическая единица оборудования, предназначенная для проведения технологических процессов различной сложности. тТА состоит из одного или нескольких ТМ и имеет патрубки подвода и отвода технологических потоков, теплоносителей, а также соответствующие датчики и средства управления.


^ 4-й иерархический уровень: технологическая установка (ТА) — конструктивно завершенный комплекс оборудования, включающий аппараты, трубопроводы, насосы, исходные и приемные емкости, средства контроля и управления, монтажные конструкции, предназначенные ц ля реализации одного или нескольких процессов химической технологии.


^ 5-й иерархический уровень: технологический комплекс (ТК) — установка с переменной структурой, снабженная хранилищем ТА, ТМ, ЭА, а также элементов коммуникационных линий и вспомогательного оборудования.


При проведении практических занятий по дисциплине «Теория технических систем» студенты рассмотрят различные варианты ЭА, ТМ, ТА, и ТУ. Также будут реализовываться процедуры декомпозиции установок, аппаратов, модулей на структурные составляющие более низкого иерархического уровня. Студенты самостоятельно будут реализовывать синтез модулей и аппаратов из структурных составляющих, элементов. Выполнение этих работ будет выполняться на персональных компьютерах с использованием самых современных программ. Описание используемых программ приводится ниже. Работа сданными программными пакетами позволит в подробностях рассмотреть конструкции модулей, аппаратов, установок (на соответствующих объемных моделях) и реализовать процедуры анализа, декомпозиции, синтеза, не выходя из компьютерного зала.

^

3. Программный пакет параметрического моделирования SolidWorks




Система твёрдотельного параметрического моделирования SolidWorks разработана компанией SolidWorks Corporation (США).

Система автоматизированного проектирования SolidWorks создана для использования на персональном компьютере в операционной среде Microsoft Windows. В SolidWorks используется новый принцип проектирования, что позволяет конструктору создавать объемные детали и компоновать сборки в виде трехмерных электронных моделей, по которым создаются двухмерные чертежи и спецификации в соответствии с требованиями ЕСКД.

SolidWorks даёт каждому конструктору возможность использовать на своём рабочем месте последние достижения науки в области проектно-конструкторских технологий для разработки сложных деталей и сборок изделий в различных областях техники. За 6 лет поставок системы, SolidWorks продал более чем 180000 рабочих мест программного обеспечения. SolidWorks имеет офисы во всем мире и поставляет свои системы через сеть 230 реселеров в 70 странах.

SolidWorks создан на основе последних достижений науки. Он сочетает в себе лучшие черты идеологии проектирования доступные ранее только дорогостоящим системам тяжелого класса. Пользовательский интерфейс реализован на качественно новом уровне и является отличительной чертой системы. Эффективная работа обеспечивается не на дорогостоящих компьютерных станциях, а на персональных компьютерах.

SolidWorks является системой моделирования специально спроектированной для Windows. Полноценное сочетание передовых технологий моделирования и нового пользовательского и системного интерфейса выводит систему в лидеры. При этом проектирование с помощью SolidWorks является для конструктора интуитивно простым и удобным, полностью соответствуя привычным для него навыкам и методам работы.

Интерфейс системы отличается максимальной продуманностью, удобством работы и доступностью для понимания.

SolidWorks максимально использует все преимущества операционных систем Windows.


Трехмерное моделирование изделий дает массу преимуществ перед традиционным двумерным проектированием, например, исключение ошибок собираемости изделия еще на этапе проектирования, создание по электронной модели детали управляющей программы для обработки на станке с ЧПУ. С помощью программы SolidWorks можно увидеть будущее изделие со всех сторон в объеме и придать ему реалистичное отображение в соответствии с выбранным материалом для предварительной оценки дизайна.




Рис. 1 Модель, сборка, чертеж




Рис.2 Построение 3D модели


Модули SolidWorks позволяют:

    • создавать фотореалистичные изображения;

    • создавать презентационные видеоролики;

    • создавать трехмерные разводки кабелей электрических систем и трубопроводов;

    • созданвать автономно просматриваемые чертежи и модели, для обмена информацией с партнерами не имеющими SolidWorks

Уникальные средства SolidWorks для работы со сборками позволяют объединять в одной сборке сотни разнотипных деталей и подсборок и строить необходимые сборочные единицы, не выходя в режим создания деталей. На протяжении жизни изделия структура сборки доступна для обработки и изменения, при этом непосредственно в режиме сборочной единицы могут быть изменены любые параметры отдельных деталей.
После создания твёрдотельной модели существует возможность автоматического получения рабочих чертежей детали или сборки с изображениями видов, проекций, простановки основных размеров и обозначений. Процесс построения чертежа упрощается за счет автоматического формирования видов, разрезов, изометрических изображений, выбора любого международного стандарта размеров, обозначений шероховатости, допусков, обозначений сварки, выносок и т.д., в том числе и ЕСКД. Система позволяет управлять размерами, шрифтами, чертежными линиями, размерными числами, автоматически создавать спецификации сборок.

SolidWorks, благодаря широким возможностям геометрического моделирования и интегрированным средствам инженерного анализа, является именно тем высокоточным и надежным инструментом, который максимально востребован сегодня в передовых областях науки и техники. К примеру, с помощью SolidWorks в Национальной оптической лаборатории США был спроектирован инфракрасный спектрограф для 8-метрового телескопа, который сейчас эксплуатируется в обсерватории в Чили. А в последнее время у мирового сообщества SolidWorks появился новый повод для гордости. Как известно, в январе этого года американские марсоходы Spirit и Opportunity совершили успешную посадку на Марсе и приступили к проведению исследований его поверхности. «Нам очень приятно отметить тот факт, что одно из ответственных устройств марсохода и его рабочий инструмент — рука робота-манипулятора спроектирована в SolidWorks», — сказал г-н Мак-Элени –президент компании.


^ 4. Программа «eDrawings» пакета SolidWorks

eDrawings является запатентованным программным продуктом SolidWorks Corp, предназначенным для представления чертежей и моделей в специальном формате, который позволяет просматривать и выводить на печать 2D- и 3D-геометрию, сохранять чертежи в виде компактных exe-файлов, HTML-страниц и в других форматах. Модуль eDrawings может быть использован как средство коллективной работы над проектом или в качестве генератора интерактивных моделей и чертежей для ИЭТР. Ожидается, что уже в ближайшем будущем новейшие технологии eDrawings смогут занять место таких средств общения, как FTP-сайты, факсимильные сообщения и экспресс-почта, а возможность встраивания объектов eDrawings в электронную почту вкупе с бесплатной версией делает это приложение поистине незаменимым. Бесплатную версию eDrawings можно загрузить через Интернет с сайтов http://www.solidworks.com/ (версия для SolidWorks и AutoCAD).

Рекомендуемая литература.


  1. Кафаров В. В., Дорохов Н. Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1988.

2. 3адорский В. М. Интенсификация химико-технологических процессов на основе системного подхода. Киев; Техника, 1989.


Индивидуальные задания для выполнения контрольной работы по курсу.


  1. Анализ технических систем.

  2. Синтез технических систем.

  3. Декомпозицич технических систем.

  4. Моделирование технических систем.

  5. Оптимизация технических систем.

  6. Интенсификация технических систем.

  7. Режимно-технологические методы интенсификации.

  8. Аппаратурно-конструктивные методы методы интенсификации.

  9. Теплообменные аппараты. Классификация.

  10. Сушильное оборудование. Классификация.

  11. Реакционное оборудование. Классификация.

  12. Массобменное оборудование. Классификация.

  13. Виды классификаций технических систем. Отличия классификаций.

  14. Системный подход. Общие понятия.

  15. Системный анализ. Общие понятия.

  16. Современные программные пакеты для отображения технических систем.

  17. Место программного пакета SOLID WORKS в истории средств отображения технических систем.

  18. Классификация необычных технических систем. По усмотрению студента. (НЛО, подводные лобки , радиозонды и пр.)

  19. Иерархия необычных технических систем. По усмотрению студента. (НЛО, подводные лобки , радиозонды и пр.)

  20. Любая тема , касающаяся технических систем по усмотрению студента, в которой он может блеснуть знаниями или умениями в этой области. Например из области его профессиональных знаний или домашних умений, или из области хобби.


Объем котрольной работы 10-20 стр. Формат А4. Шрифт – 14 пт или рукопись. Приветствуется активное использование Интернета и других современных информационным источником.






Похожие:

Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем" для студентов ІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов"
Индивидуальные задания для выполнения контрольной работы
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания по изучению дисциплины
«Ресурсо- и энергосберегающая, экологически безопасная химическая техника» для студентов 5 курса дневной формы обучения по специальности...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине
Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов”. Часть Алгоритм декомпозиции и синтеза технических систем...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания к практическим занятиям по дисциплине
Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов”. Часть Алгоритм декомпозиции и синтеза технических систем...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания и контрольное задание для студентов специальностей
Методические указания составлены применительно к программе дисциплины «Электроизоляция и перенапряжения в электрических системах»...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания для выполнения контрольной работы для студентов-заочников
Методические указания разработаны на кафедре «Прикладная экономика» пгта и предназначены для студентов заочной формы обучения
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания и задания к контрольной работе для студентов заочной формы обучения по специальности
Цель контрольной работы – закрепить теоретические знания и приобрести практические навыки по курсу «Экономика машиностроительного...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания для выполнения контрольной работы по дисциплине «Налоги и налогообложение»
Методические указания для выполнения контрольной работы по дисциплине «Налоги и налогообложение» (для студентов заочной и заочной...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания по дипломному проектированию для студентов
Методические указания по дипломному проектированию для студентов специальности "Менеджмент", " Управление проектом " / Сост. Бронникова...
Методические указания по изучению дисциплины: „ теория технических систем\" для студентов IІI курса заочной формы обучения по специальности 090220 „Оборудование химических производств и предприятий строительных материалов\" iconМетодические указания по выбору темы и написанию курсовых проектов по дисциплине «Эконометрика и эмм», «Эконометрика» для студентов заочной формы обучения
Подберите совокупность данных согласно выбранным вами показателям и сформулируйте тему, например, «Регрессионный анализ влияния уровня...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©sov.opredelim.com 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов