Читать книгу Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 3-е, исправленное и дополненное - Владимир Петров - Страница 38

Системный подход к проектированию требует обязательное выявления целей, потребностей, функций, принципа действий и систем.

Проектирование начинается с определения целей.

3.5.1. Системный синтез

Синтез системы должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Последовательность этапов системного синтеза

Первоначально выявляют потребность, которую необходимо удовлетворить. На следующем этапе определяют все альтернативные функции, которые могут удовлетворить данную потребность. Далее выбирают одну из них, наилучшим образом, удовлетворяющим данную потребность.

Для выбранной функции подбираются все возможные принципы действия системы и из них выбирается наилучший.

На заключительном этапе определяются все возможные виды систем, способные осуществить выбранный принцип действия и отбирается наилучшая.

Пример 3.40. Конференция

Представим ситуацию проведения конференции в определенном месте.

Цель – провести конференцию.

Потребность участника конференции – быть в данном месте в данное время.

Функция – перемещение участника с точки А в точку Б.

Опишем только принципы действия перемещения по земле.

Принцип действия: качение, принцип гусеницы, змеи, воздушная подушка и т. д.

Система: колесо, гусеница, воздушная подушка и т. д.

Корректировка может проводиться уже на уровне потребностей.

Если возможно проводить виртуальную конференцию, то участнику не нужно физически присутствовать на конференции, поэтому меняются функции и последующие этапы.

Идеальный системный синтез – это создание самоорганизующейся системы, приводящую к ее балансу. Такая система приспосабливается к изменениям и противостоит разбалансирующим изменениям.

Все природные системы самоорганизующиеся. Это относится как к растительному, так и к животному миру. Изменения во внешней среде влияют на них, и они приспосабливаются к этим изменениям. В свою очередь изменения, например, в растительном мире влияют и изменяют окружающую среду. Так эвкалипты, посажанные в болотистых местах, осушают их и меняют окружающую среду.

3.5.2. Системный анализ

Анализ систем осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы, ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности, которую удовлетворяет данная система (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Последовательность этапов системного анализа

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные системы, использующие тот же принцип действия, или альтернативные системы, выполняющие туже функцию или альтернативные системы, удовлетворяющие данную потребность.

Пример 3.41. Стиральная машина

Система – стиральная машина.

Принцип действия – вращение белья с мыльной водой.

Функция – сталкивание белья с водой.

Потребность – соблюдение гигиенической чистоты.

Можно для данной функции найти альтернативный принцип действия. Например, использование ультразвука.

Для данной потребности можно найти другой способ поддержания гигиенической чистоты, например, создание незагрязняющейся одежды. Такие попытки делались в прошлом и настоящем.

3.5.3. Анализ выявления недостатков

Анализ системы для определения ее недостатков проводится в следующей последовательности (рис. 3.11):

1. Компонентный анализ.

2. Структурный анализ.

3. Анализ функций.

4. Диагностический анализ.

Рис. 3.11.       Последовательность этапов системного анализа для выявления недостатков

Цель компонентного анализа – построить компонентную модель. Компонентом мы будем называть любой элемент системы на всех иерархических уровнях: подсистемы, системы, надсистема и окружающая среда. На этом этапе выявляются все компоненты и записываются в таблицу.

Цель структурного анализа – построить структуру системы. Определяют все связи между компонентами. Для этого строят матрицу связей.

Таблица 3.1. Матрица связей

Примечание. Знаком «+» обозначено наличие связи.

Используя данные таблицы, строят графическую модель связей между компонентами.

Цель этапа анализа функций – построить функциональную модель. На этом этапе определяют направление и характер действия, т. е. функции.

Таблица функций представлена в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Функции элементов

Примечание. У одного элемента может быть несколько функций.

По таблице функций строят графическую функциональную модель.

Цель диагностического анализа – построить диагностическую модель, т. е. оценить функции и потоки.

Рассмотрим данную методику на примере комнатного кондиционера.

Пример 3.42. Компонентный анализ

Рассмотрим кондиционер сплит-системы настенного типа, т. е. кондиционер, состоящий из двух блоков: наружного (рис. 3.12) и внутреннего (рис. 3.13).

Рис. 3.12. Наружный блок кондиционера10

Где:

1 – компрессор.

2 – четырехходовой клапан.

3 – плата управления.

4 – вентилятор.

5 – конденсатор.

6 – фильтр фреоновой системы.

7 – штуцерные соединения.

8 – защитная быстросъемная крышка.

Рис. 3.13. Внутренний блок кондиционера

Где:1 – передняя панель.

2 – фильтр грубой очистки.

3 – испаритель.

4 – горизонтальные жалюзи.

5 – индикаторная панель.

6 – фильтр тонкой очистки.

7 – терморегулируемый вентилятор (ТРВ).

8 – вертикальные жалюзи.

Пример 3.43. Структурный анализ

Помимо структурного анализа покажем функциональность кондиционера и основных его частей.

Функционально-структурная схема кондиционера показана на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Функционально-структурной схема кондиционера

Принцип работы кондиционера показан на рис. 3.15.

Устройство кондиционера базируется на явлениях испарении и конденсации. При испарении, влага забирает тепло, а при конденсации, отдает.

Во внутреннем блоке происходит кипение и испарение хладагента (фреон – газ, кипящий при комнатной температуре и атмосферном давлении). Фреон забирает тепло у теплообменника внутреннего блока, который еще называется испаритель, где весь фреон полностью превращается в газ. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через испаритель, отдает свое тепло и выходит из блока охлажденным.

Рис. 3.15. Принцип работы кондиционера в режиме охлаждения11

Во внешнем блоке, находящимся на улице, происходит обратный процесс – конденсация. Под давлением, создаваемым компрессором, хладагент конденсируется в теплообменнике внешнего блока, который называется конденсатор, где весь фреон полностью превращается в жидкость. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через конденсатор, отдает свое тепло и выходит из блока подогретым.

Компрессор представляет собой насос высокого давления для газа. Он создает такое давление, чтобы при нормальных температурах весь хладагент успевал сконденсироваться во внешнем блоке. Далее хладагент проходит через дросселирующее устройство (терморегулируемый вентилятор – ТРВ), выравнивая давление.

Четырехходовой клапан переключает кондиционер из режима охлаждения в режим обогрева. Он изменяет (инвертирует) направление движения фреона. При этом внутренний и наружный блок как бы меняются местами: внутренний блок работает на обогрев, а наружный – на охлаждение.

Анализ будет проводиться упрощенный, только по основным частям кондиционера.

Разберем устройство каждой части. Параллельно будем указывать функции, которые выполняет каждая из частей кондиционера.

Наружный блок:

1. Компрессор – повышает давление хладагента (фреона), тем самым, нагревая его, и перемещает фреон по холодильному контуру с помощью повышенного давления. Хладагент в компрессор поступает из испарителя.

2. Конденсатор – это радиатор. Он охлаждает и конденсирует фреон. Продуваемый через конденсатор воздух, соответственно, нагревается.

3. Вентилятор – создает поток воздуха на конденсатор.

4. Плата управления – управляет внешним блоком и принимает команды от пульта управления.

5. Четырехходовой клапан – изменяет (инвертирует) направление движения фреона. При этом внутренний и наружный блок как бы меняются местами: внутренний блок работает на обогрев, а наружный – на охлаждение.

6. Фильтр фреоновой системы – защищает систему от попадания мелких частиц, которые могут образоваться при монтаже кондиционера. Устанавливается перед входом компрессора.

7. Штуцерные соединения – соединяют (удерживают) медные трубки, соединяющие наружный и внутренний блоки.

8. Защитная быстросъемная крышка – защищает от внешнего воздействия штуцерные соединения и клеммник, используемый для подключения электрических кабелей.

Примечание. При дальнейшем анализе не будут рассмотрены: ТРВ, четырехходовой клапан, фильтр фирновой системы, штуцерные соединения, клеммник, защитную быстросъемную крышку, устройство платы управления и все датчики.

Внутренний блок:

1. Испаритель – это радиатор. Он нагревает фреон. Фреон испаряется. Продуваемый через радиатор воздух охлаждается.

2. Вентилятор – создает поток воздуха на испаритель. Таким образом, вентилятор внутреннего блока создает две полезные функции:

· помогает нагревать испаритель, а, следовательно, и фреон. Фреон испаряется и охлаждает поток воздуха;

· переносит поток холодного воздуха.

3. Плата управления (на рисунке не показана) – управляет внутренним блоком и принимает команды от пульта управления. На этой плате находится блок электроники с центральным микропроцессором.

4. Терморегулирующий вентиль – ТРВ (рис. 3.15) – понижает давление хладагента перед испарителем без изменения его агрегатного состояния (фреон должен остаться жидким). Давление снижают для уменьшения температуры кипения фреона в испарителе. Изменением величины давления регулируют температуру кипения (испарения), а, следовательно, и температуру потока воздуха.

5. Поддон для конденсата (на рисунке не показан) – сбора конденсата (воды, образующейся на поверхности холодного испарителя). Он расположен под испарителем. Из поддона вода выводится наружу через дренажный шланг.

6. Передняя панель – пропускает воздух внутрь блока. Представляет собой пластиковую решетку, через которую внутрь блока поступает воздух.

7. Фильтр грубой очистки – препятствует прохождению крупной пыли, шерсти животных и т. п. внутрь блока.

8. Горизонтальные жалюзи – регулируют направление воздушного потока по вертикали. Эти жалюзи имеют электропривод, и их положение может регулироваться с пульта дистанционного управления. Кроме этого, жалюзи могут автоматически совершать колебательные движения для равномерного распределения воздушного потока по помещению.

9. Привод горизонтальных жалюзи (на рисунке не показан) – перемещает жалюзи.

10. Индикаторная панель – показывает режим работы кондиционера и сигнализирует о возможных неисправностях. На передней панели кондиционера установлены индикаторы (светодиоды).

11. Фильтр тонкой очистки – препятствует прохождению мелкой пыли. Фильтры бывают различных типов: угольный (удаляет неприятные запахи), электростатический (задерживает мелкую пыль) и т. п.

12. Вертикальные жалюзи – регулируют направление воздушного потока по горизонтали. Они служат для регулировки направления воздушного потока по горизонтали. Регулировка вручную.

13. Штуцерные соединения (на рисунке не показаны) – соединяют (удерживают) медные трубки, соединяющие внутренний и наружный блоки.

14. Пульт дистанционного управления (на рисунке не показан) – передает команды управления на плату управления.

15. ИК-приемник (на рисунке не показан) – принимает сигналы от пульта дистанционного управления и передает их на микросхему.

16. Термодатчик (на рисунке не показан) — измеряет температуру в испарителе. У некоторых кондиционеров, имеющих режим создания заданной температуры в точке, где находится пульт дистанционного управления. В пульте управления таких кондиционеров имеется дополнительный термодатчик.

17. Управляющая микросхема (на рисунке не показана) – обрабатывает входные сигналы и выдает сигналы управления.

Примечание. При дальнейшем анализе не будут рассмотрены: ТРВ, четырехходовой клапан, фильтры грубой и тонкой очистки, горизонтальные и вертикальные жалюзи, привод горизонтальных жалюзи, штуцерные соединения, пульт дистанционного управления, ИК-приемник, управляющая микросхема и индикаторная панель. Поддон для конденсата будем условно считать внутренним корпусом.

Надсистемные элементы, связанные с внешним блоком:

18. Наружная стена дома – удерживает наружный корпус.

19. Окружающая среда — взаимодействует с наружным корпусом. Будем условно считать – воздух снаружи.

Кроме того, имеются еще общие элементы для этих блоков и дополнительные элементы:

1. Трубки, соединяющие две части кондиционера. По ним движется хладагент.

2. Хладагент – изменяет температуру воздуха (испарение, конденсация).

3. Электрический силовой кабель, соединяющий блоки – передает напряжение питания на компрессор и вентилятор.

4. Кабель управления, соединяющий блоки – передает сигналы управления.

5. Электрический силовой кабель, который включается в электрическую сеть – подводит напряжение питания к кондиционеру.

6. Дренажный шланг – отводит конденсат.

Пример 3.44. Выявление связей в кондиционере

В этом примере определим связи только для минимально необходимых частей кондиционера, надсистемы и окружающей среды (табл. 3.3).

Таблица 3.3. Взаимодействие элементов кондиционера

Где: НБ – наружный блок,

ВБ – внутренний блок,

ЭСК – электрический силовой кабель,

0 – отсутствие связи,

+ – полезная связь,

– — вредная связь.

Пример 3.45. Определение функций элементов системы

Опишем только наиболее существенные полезные и вредные функции основных элементов (табл. 3.4).

Таблица 3.4. Функции элементов кондиционера

На графической функциональной модели (рис. 3.16) не показаны функции наружного и внутреннего корпусов удерживать компрессор, конденсатор, испаритель и вентиляторы, а также функции наружной и внутренней стен удерживать корпуса. Эти функции не существенны для данной задачи.

Опишем наиболее существенные недостатки кондиционера.

1. Наружный блок создает шум.

2. Внутренний блок тоже создает шум, но меньший по уровню.

3. Перемещение воздуха приводит к простудным заболеваниям.

4. Кондиционер создает одну и туже температуру в комнате. Часто бывает, что для разных людей необходима разная температура.

Рис. 3.16. Функциональная схема

где