31188-1 (Описание системы планер Юниор)

Функциональное описание системы планер "Юниор"

I. Введение

I.1 Описание основных методов описания систем :

I.1.1 Морфологическое описание систем.

Морфологическое описание системы должно давать представление о строении системы, ее подсистемах и элементах. Морфологическое описание не может быть исчерпывающим и зависит от глубины описания и степени детализации. Морфологическое описание иерархично. Число уровней описания определятся сложностью системы, то есть создается описание, дающее полную и достаточно глубокую оценку свойств системы. В иерархии описания может существовать такая ступень, когда способы описания, применявшиеся на более высоких уровнях становятся неприемлемыми и необходимо использовать принципиально новый способ описания системы. Изучение морфологии, то есть изучение внутреннего и внешнего устройства системы начинается с состава элементов, образующих систему. Элементный состав позволяет понять из каких элементов состоит система. Обычно он выполняется в виде структуры очень похожей на иерархическую при этом описание элементного состава производится до какого-то n-го уровня, после которого дальнейшее изображение элементного состава становится бессмысленным из-за конечности числа элементов системы. Элементный состав представляет собой как я уже говорил в виде структуры, которая состоит из блоков, каждый из которых отличается от другого номером подсистемы, для которого он создан. Один блок состоит из:

1. Состав элементов, то есть перечисления элементов из которых состоит данная система или подсистема.

2. Структура, то есть определенный порядок элементов, образующих систему.

3 Связи, то есть связи между элементами подсистемы или связи между подсистемами.

Под элементом в этом описании системы понимается подсистема, внутрь которой описание не проникает, то есть некий простейший элемент, рассматривать который как систему не имеет смысла. Элементный состав может быть трех типов:

1. Гомогенный, то есть состоящий из однотипных или одинаковых элементов.

2. Гетерогенный, то есть содержащий различные типы элементов.

3. Смешанный, то есть содержащий как множество однотипных, так и множество разнотипных элементов.

Однотипность в данном случае не означает полного сходства или идентичности элементов системы, а определяет только сходство основных свойств или функций. Гомогенности часто сопутствует избыточность и наличие скрытых возможностей, неиспользованных ресурсов, вызванных многократным дублированием элементов друг друга. Гетерогенные же элементы узко специализированны. И хотя они более экономичны, чем гомогенные элементы, зато их эффективность ограничивается лишь узким диапазоном внешних условий, и быстро выходят из строя вне этого диапазона, к тому же отсюда вытекает меньшая надежность гетерогенных систем - ведь при выходе из строя одного узкоспециализированного элемента другие элементы не смогут выполнять его функции и скорее всего система перестанет функционировать. Таким образом гомогенные системы стоят выше гетерогенных по уровню организации.

Для того, чтобы составить морфологическое описание надо знать о составе элементов, связях, структуре в элементном составе.

1. Состав элементов предполагает список названий элементов и их свойств. Всего существует четыре типа элементов: энергетические ( функция - преобразование энергии, цель преобразования- выработать необходимую энергию в системе в той форме, в которой она может потребляться другими элементами, важное свойство - к.п.д. элемента), информационные (функция -прием, запоминание, преобразование информации, цель преобразования - выработать более удобную форму информации из исходной), вещественные ( функция - преобразование вещества какого-либо характера, цель преобразования - добиться свойств вещества в соответствии с "заказом" информационного элемента), нейтральные ( функция не установлена).

2.Связи являются немаловажной частью морфологического описания системы , так как ее свойства зависят от характера связей. Существует семь типов связей: энергетические ( функция - перенос энергии между элементами), информационные ( функция - перенос информации между элементами), вещественные (функция - перенос вещества между элементами), смешанные ( функция - совокупность функций предыдущих связей), прямые (функция - выполнить функции связей, описанных выше или материальных связей в прямом направлении), обратные ( функция та же, что и у прямых, но в обратном направлении), нейтральные ( функции не определены).

3.Структура - определяет характер и устойчивость отношений между элементами. Структуры делятся на пять типов: хаотические, многосвязные, иерархические, детерменированыые и смешанные.

Морфологическое описание строится по иерархическому методу путем последовательной декомпозиции систем. Уровни декомпозиции системы, уровни иерархии морфологического и функционального описания должны совпадать. Морфологическое описание можно выполнить последовательным расчленением системы на подсистемы. Это удобно в том случае, когда связи между подсистемами одного уровня иерархии не слишком сложны.

I.1.1 Функциональное описание систем.

Функциональное описание исходит из того, что всякая система выполняет некоторые функции : просто существует, является областью обитания другой системы, обслуживает систему более высокого порядка, является контрольной для некоторого класса систем, служит средством или материалом для создания более сложной или совершенной системы, является Первосистемой и. т. д. Основное качество, присущее любой системе - это ее функции, соответственно система может быть однофункциональной или многофункциональной. В зависимости от поведения системы, по воздействию на окружающую ее среду и взаимодействию с другими системами, функции системы можно распределить в следующем порядке, по возрастанию "ранга":

1. Пассивное существование, материал для других систем - наиболее простая система, функции которой сводятся лишь к поддержанию внутренней среды системы на каком-либо уровне и безразличному отношению к окружающей среде.

2. Обслуживание системы более высокого уровня - более сложная система, функция которой не только поддерживать собственное внутреннее функционирование, но и работа на систему более высокого уровня.

3. Противостояние другим системам или среде - еще более сложная система, функция которой - не пассивное существование или спокойная работа, а выживание, непрерывное приспособление к изменяющимся, агрессивным условиям внешней среды.

4. Поглощение других систем и среды - система, в функцию которой входит не только выживание, но и активное противоборство внешней среде, с последующим ее захватом.

5. Преобразование других систем и среды - наиболее сложная система, в функцию которой также входит не только захват и уничтожение других систем, но и их последовательное преобразование в вещества или подсистемы, полезные этой системе.

Функциональное описание, как и морфологическое иерархично. Функции системы представляются двумя способами : числовым функционалом, который зависит от функций, описывающих внутренние процессы, или качественным функционалом (типа упорядочивания лучше-хуже).

Функциональное описание системы можно задать семеркой:

S_f={T,x,C,Q,y,},

Где T-множество моментов времени, х - множество мгновенных значений входных воздействий, С={c: Tx} – множество допустимых входных воздействий; Q –множество состояний; y- множество значений выходных величин; Y={u:Ty}-множество выходных величин; ={TTTcQ}-переходная функция состояния; :TQy – выходное отображение; с- отрезок входного воздействия; u – отрезок выходной величины. Такое описание системы охватывает широкий диапазон свойств. Рациональный путь создания функционального описания заключается в применении такой многоуровневой иерархии описаний, при которых описание более высокого уровня системы будет зависеть от обобщенных переменных более низшего уровня. Таким образом образуется следующая иерархия описания: эффективность (зависит от функционала эффективности, который качественно или количественно описывает деятельность системы) - процессы первого уровня (функции) - параметры первого уровня (функционалы) - процессы второго уровня (функции) - параметры первого уровня (функционалы) - .................- процессы n-го уровня ( функции) - параметры n-го уровня (функционалы). Где n-ый уровень - последний уровень, о котором имеет смысл говорить в описании системы, так как он последний, для которого имеется достаточное количество сведений.

I.1.3 Информационное описание систем

Как и любое другое, информационное описание должно давать представление об организации системы. Оно является не только наиболее сложным, но и наиболее глубоким видом описания, так как в отличие от морфологического и функционального описания, описывающих структуру и функции системы в определенный момент времени, описывает систему уже в процессе ее функционирования, то есть описывает воздействие на систему внешней, и изменения информации. Информационное описание позволяет определить зависимость морфологических и функциональных свойств системы от качества и количества внутренней ( о самой себе и о среде) и внешней (поступающей из внешней среды) информации. Так как информация о каком-либо процессе снижает количество вероятных исходов данного процесса, то информация, полученная системой повышает степень предсказуемости ее развития. Значит информация увеличивает организованность, упорядоченность системы, то есть потенциальную меру предсказуемости будущего данной системы, что в свою очередь влечет снижение степени энтропии, то есть неопределенности. Таким образом, информация, полученная системой напрямую влияет на ее работу, а значит и на функциональные свойства ее элементов, морфологию. Частные же аспекты информационного описания могут касаться отдельных процессов и подпроцессов. Множество частных описаний в большей или меньшей степени охватывает факторы организации деятельности системы в целом. Связь между функциональным и информационным описаниями отражает эффективность и энтропию. Связь между морфологическим и информационным описаниями отражает изменение морфологических свойств во времени. Информационное определяет возможную точность оценки, как класса сходства систем, так и их близость внутри класса.

I.2 Обоснование выбора функционального описания системы.

Перед тем, как сесть за эту работу, я долго думал, какую систему мне взять. Я понимал, что нужно взять такую систему, которая удовлетворяла бы трем условиям:

1. Система должна быть достаточно емкой для описания, иметь строго иерархичную структуру.

2. Система должна быть оригинальной и необычной.

3. Система должна быть знакомой и известной и мне настолько, чтобы я знал ее, что называется "до последнего винтика".

Я очень люблю конструировать различные модели кораблей и планеров. Около трех лет назад я купил планер "Юниор" о котором и пойдет речь в моей работе. Этот планер представляет собой достаточно точную копию спортивного самолета "Як-16" он выполнен из пенопласта и оснащен легким двигателем на углекислом газе. На мой взгляд эта система полностью удовлетворяет трем основным условиям, о которых я сказал выше: во-первых он состоит из большого числа деталей, что дает большой простор для описания; во-вторых применение в планере экзотического двигателя на углекислом газе делает систему необычной; в-третьих я сам собирал его и знаком с работой и наладкой каждой из его деталей.

После выбора системы, естественно я стал выбирать метод ее описания. Мне было трудно сразу решить, какой из них лучше использовать и я решил рассмотреть их все и выделить один методом исключения.

Первым я исключил информационный метод описания. Почему? Потому что во-первых информационное описание связано с внутренней информацией системы, а также с информацией, поступающей в систему извне, в моем же случае изменение информации в системе планер практически равно нулю, так как планер не является средством восприятия или обработки информации и представляет собой достаточно устойчивую систему в том смысле, что число изнашиваемых деталей мало, а время изнашивания велико. С другой стороны в информационном описании много цифр, переменных и формул, что очень сильно затрудняет, а то и вовсе сводит на нет возможность понятия и осмысления такой работы. Особенно это плохо для первоначального ознакомления с системой, ведь, не поняв ее основ, не возможно разобраться в ее глубинном устройстве и функционировании. Другими словами информационное описание можно делать только после глобального и всестороннего ознакомления с системой как выполняющего описание, так и его проверяющего или использующего.

Теперь мне осталось выбрать из морфологического и функционального описания. И я сделал выбор в сторону функционального. На это меня толкнуло несколько причин.

1.Во-первых главная цель существования любой системы - функционировать, то есть выполнять какую-либо основную функцию или несколько основных функций, осуществляемых за счет выполнения подфункций каждого из его элементов. То есть для конечного пользователя системы практически не важно как устроена и из чего состоит система, для него главное - чтобы система выполняла предназначенную ей функцию, а уж как это делается - не его дело.

2.Во-вторых, на мой взгляд, функциональное описание более емко, чем морфологическое, ведь при описании той или иной функции, делается указание на то, от каких параметров зависит ее выполнение, обычно это - качественные характеристики элементов, которые обеспечивают данную функцию. И мы сразу получаем функциональное описание и список элементов "в одном флаконе". К тому же можно легко добавить к функциональному описанию иерархическую структуру системы, и, фактически мы потеряем из морфологического описания лишь характеристики связей между элементами (которые можно определить по их функциям).

3.В-третьих, функциональное описание больше подходит для сравнения двух систем, так как морфологическое сходство отнюдь не означает функционального, вследствие того, что незначительное морфологическое отклонение может вызвать качественное функциональное различие. Так в ряде случаев морфологическое различие обнаружить невозможно, и проявляется оно в существенном и легко наблюдаемом различии функциональных свойств (например два полушария головного мозга человека).

II. Функциональное описание системы:

II.1 Общая характеристика системы.

Как я уже сказал, выбранная мной система планера "Юниор" является моделью самолета "Як-16", у которой все важнейшие узлы (крылья, хвост, фюзеляж, стабилизаторы) выполнены из пенопласта. Ходовой частью системы является двигатель, использующий энергию сжатого углекислого газа, который потребляется из специальных баллончиков от сифона. В цилиндре газ расширяется, толкает поршень, тот в свою очередь коленчатый вал, а тот - ось винта. На основании этого можно выделить системоразрушающие (то есть те, которые нарушают внутреннюю структуру подсистем или элементов системы) и системообразующие факторы (то есть наличие которых просто необходимо для нормальной работы системы).