Читать книгу Законы и закономерности развития систем. Книга 4 - Владимир Петров - Страница 6

Развитие системы идет в направлении увеличения степени динамичности.

Динамичная система может изменять свои параметры, структуру (в частности форму), алгоритм, принцип действия и функции, чтобы наиболее эффективно достичь поставленную цель и удовлетворить потребность. Динамическая система в своем развитии может менять так же цель и потребность, приспосабливаясь к внешним и внутренним изменениям.

Изменения могут происходит:

– во времени;

– по условию.

Следствия из закона.

1. Статические системы стремятся стать динамическими.

2. Системы развиваются в сторону увеличения степени динамичности.

Пример 2.27. Катамаран

Парусные катамараны – суда с двумя корпусами, что повышает их устойчивость по сравнению с обычными однокорпусными яхтами.

Для увеличения маневренности расстояние между корпусами должно быть, как можно меньше, но это уменьшает остойчивость катамарана при большой волне.

Во время спокойной погоды корпуса катамарана должны быть на небольшом расстоянии, а при шторме – на большом расстоянии.

Корпуса должны иметь возможность раздвигаться и сдвигаться, – быть динамичным – изменяться в зависимости от состояния моря (штиль или волнение).

Соединение между корпусами сделали подвижное, которое может быть отрегулировано в зависимости от увеличенной маневренности (рис. 22.33).

Это пример изменения структуры по условию (высота волны). Статическая система стала динамической.

Рис. 22.33. Катамаран

Приведем пример на увеличения степени динамичности.

Пример 22.27. Электронная книга

Первоначально книга представляла собой свиток (рис. 22.34а), как правило, из папируса или пергамента.

В дальнейшем книги делались из отдельных листков, скрепленных вместе переплетом (рис. 22.34б). Их стало удобнее читать, и они занимали меньше места. Но книги используют бумагу, для получения которой необходимо уничтожать лес. Они много весят, занимают много места на полках и пылятся.

Далее книги слали переводить в электронный вид и читали с экрана компьютера

(рис. 22.34в). Такие книги не использовали бумагу, занимали мало места и не пылились, в одном компьютере можно иметь большую библиотеку, но появились неудобства, связанные с процессом чтения, – не везде удобно читать с компьютера, например, в кровати. В дальнейшем появились лэптопы (рис. 22.34г), мини-компьютеры, планшеты и смартфоны (рис. 22.34д). Их легко переносить и читать удобно в любом месте. Смартфоны и планшеты сегодня получили наибольшее распространение.

Общий недостаток компьютеров – не все любят читать с экрана. Кроме того, чтение с экрана портит зрение, так как экран излучает свет, который непосредственно направлен в глаза.

Выпустили электронную книгу (e-book reader), в которую можно загружать много книг (рис. 22.34е).

Такие книги используют электронную бумагу (electronic paper), в которой используются электронные чернила. Электронная бумага отражает свет, так же как обычная книга, поэтому не портит зрение.

Рис. 22.34. Увеличение степени динамичности книги

22.4.1. Основная линия увеличения степени динамичности

Увеличение динамичности происходит изменением динамичности параметров, структуры, алгоритма и принципа действия, функции, потребности и цели, которое может происходить во времени, в пространстве и по условию.

Степень динамичности увеличивается переходом от изменения динамичности параметров к изменению динамичности структуры, алгоритма, принципа действия, функции, потребности и цели.

Основная линия увеличения степени динамичности показана на рис. 22.35.

Рис. 22.35. Линия увеличения степени динамичности

Изменение параметров системы – это наиболее простой способ увеличения степени динамичности системы с целью ее адаптации к внутренним и внешним изменениям.

Изменяться может любой параметр системы, например, электрические параметры (величина тока, напряжения, сопротивления и т. д.), оптические параметры (длина волны, яркость, освещенность и т. д.), акустические параметры (амплитуда и частота звука и т. п.), механические параметры (эластичность, жесткость, вязкость, число степеней свободы и т. д.) и т. д.

Пример 22.28. Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM)

Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM) созданы для хранения цифровой информации. Они работают, пока на микросхему подается питание. После отключения питания информация теряется.

В дальнейшем были созданы динамические ОЗУ (DRAM). С их помощью сократили время обмена информацией (запись и считывание). Динамические ОЗУ построены на электронных приборах с зарядовой связью. Информация хранится на паразитных конденсаторах (емкостях) транзисторов, как пакеты зарядов. Они обладают высокой скоростью обмена информации (пакетов зарядов), но не способны хранить ее длительное время (<1 ms).

Для решения этой проблемы в DRAM осуществляется непрерывная циклическая перезапись (обновление) информации.

Это пример изменения параметров во времени.

Пример 22.29. Мост Тысячелетия (Gateshead Millennium Bridge)

На южном берегу реки Тайн (River Tyne) в Англии, между городами Гейтшед (Gateshead) и Ньюкасл (Newcastle upon Tyne) был построен уникальный пешеходный и велосипедный мост тысячелетия.

Это первый в мире мост с использованием наклонного механизма для прохода кораблей.

Два полукруга конструкции напоминают веки, за это в народе мост называют «Моргающий глаз» (Blinking Eye). Когда по реке идут суда, мост приподнимает нижнее «веко» (рис. 22.36б). Все остальное время оно опущено (рис. 22.36а), и пешеходы легко перебираются с одного берега реки на другой.

Это пример изменения параметров по условию (проход судна).

Рис. 22.36. Мост Тысячелетия (Gateshead Millennium Bridge)

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения структуры системы – это более сложный способ динамизации, чем изменение параметров.

Под изменением структуры мы понимаем и изменение формы объекта.

Пример 22.30. Автомобиль на поворотах

На крутых поворотах (рис. 22.37а) машину заносит, что может привести к аварии. Особенно это актуально для гоночных машин.

Как сделать машину более устойчивой на поворотах?

Шасси автомобиля делают динамичным. Подвеску делают с шарнирными связями. Автомобиль имеет возможность наклоняться на поворотах (рис. 22.37б).

Это пример изменения структуры по условию (перемещение по прямой или на поворотах).

Рис. 22.37. Автомобиль на крутых поворотах

Пример 22.31. Реактивный самолет

Подъемная сила самолета зависит от общей площади крыльев и скорости движения.

При малой скорости площадь крыльев должна быть большой, а при большой скорости большая площадь крыла создает лишнее сопротивление движению.

Если сделать реактивный самолет с малой площадью крыла, то он будет маневреннее и можно будет увеличить дальность полета, так как уменьшается сопротивление движению, а следовательно, будет затрачиваться меньше горючего. Однако малая площадь крыла требует увеличенной скорости полета при взлете и посадке, что увеличивает длину взлетно-посадочной полосы.

Как быть?

Во время взлета и посадки площадь крыла самолета должна быть большой, а во время полета – маленькой.

Крыло самолета должно менять свою площадь (большой и маленькой), – быть динамичной – изменяться в зависимости от скорости полета (посадка-взлет или полет).

Создан самолет с изменяемой геометрией крыла (изменяемой стреловидностью) (рис. 22.38).

Это пример изменения формы по условию (полет или взлет-посадка).

Рис. 22.38. Самолет с изменяемой геометрией крыла F-14

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения алгоритма работы.

Пример 22.32. Микросхемы

Многие современные приборы используют микросхемы. При создании новых приборов приходится или подбирать микросхему из выпускаемых промышленностью или разрабатывать и выпускать новую микросхему, что достаточно дорого стоит. Это оправдывается при массовом выпуске продукции. При проведении научных и опытно-конструкторских работ (НИОКР) и при выпуске единичных и мелкосерийных продуктов разработка и выпуск новых микросхем не выгодны и существенно влияют на себестоимость продукции.

Разработали программируемые логические интегральные схемы – ПЛИС (Field Programmable Gate Arrays – FPGA). В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не создается при изготовлении, а устанавливается посредством ее программирования.

ПЛИС представляет собой набор элементов, расположенных в виде матрицы. Между элементами расположены соединительные трассы, представляющие собой программируемые ключи, соединяющие необходимые блоки. Пользователь может создать нужную для него структуру, программируя определенную логику.

Таким образом, данная микросхема позволяет менять ее внутреннюю структуру и алгоритм работы в зависимости от функции, которую необходимо выполнять. ПЛИС можно перепрограммировать под новую функцию.

Это пример изменения структуры, алгоритма и функции по условию (принцип работы или изменение принципа работы).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения ее принципа действия.

Пример 22.33. Обрабатывающий центр

Обрабатывающий центр – это станок с числовым программным управлением (ЧПУ), предназначенный для последовательного выполнения нескольких технологических операций различными инструментами по заданной программе. В качестве инструмента могут быть использованы: резец, фреза, сверло, плазма, лазер и т. п. При переходе к следующей операции станок меняет инструмент, а следовательно, и принцип действия, и алгоритм работы.

Это пример изменения структуры, алгоритма и принципа действия по условию (переход к другой операции).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения выполняемой функции.

Пример 22.34. Мобильный телефон

Современный мобильный телефон выполняет много различных функций.

Это пример изменения алгоритма, принципа действия и функции по условию, выполняющего ту или другую потребность владельца.

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения потребностей.

Пример 22.35. Компьютер

Компьютер является наиболее развитой динамической системой. Трудно перечислить все функции, которые он выполняет и потребности, которые он удовлетворяет.

Это пример изменения алгоритма, функции и потребностей по условию (желание владельца).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения целей.

Пример 22.36. Беспилотный самолет

Беспилотный самолет может изменить цель своего полета в зависимости от изменения обстоятельств. Например, перейти от наблюдения к боевым действиям.

Это пример изменения цели по условию.

22.4.2. Повышение динамичности

Система тем динамичнее, чем она более управляемая.

Динамичность системы повышается с увеличением скорости и точности адаптации к внешним и внутренним изменениям.

Скорость увеличения динамичности повышается с учетом изменений не только определенного параметра, а и его производных.

Идеально, когда система заранее готова к изменениям, т. е. имеет способность заранее прогнозировать изменения. С этой целью система должна использовать и/или выявлять и использовать тенденции, закономерности и законы развития системы, надсистемы и окружающей среды.

Точность адаптации может быть увеличена, если в законе управления системой учитывается интеграл от всех изменений или ведется учет предыдущих изменений.

Пример 22.37. Система управления

Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должны управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.

При длительной работе системы в закон управления желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.