Класична схема технічної системи (ТС), що включає робочий орган, перетворювач, джерело енергії і систему управління, виглядає вкрай непереконливо і викликає ряд питань. Та й її інструментальність, тобто корисність для процесу пізнання, вкрай низька. І ще дещо викликає сумніви. Наприклад, використання Оператора в якості невід’ємної частини ТЗ сприймається, скоріше, як ознака її недосконалості. Справді, існують ж технічні об’єкти, виконують найскладніші дії без прямої участі людини. Людина потрібен в якості елемента зворотного зв’язку, але ці ж функції здатний виконувати і ПІД-регулятор, так чому б саме його не включити до складу ТЗ?

Візьмемо, наприклад, таку найпростішу систему, як звичайний дитячий м’яч і спробуємо відшукати в ньому компоненти класичної схеми. Ми не знайдемо там ні окремого джерела енергії, ні перетворювача, ні, тим паче, системи управління. Дитина (Споживач) цінує м’яч за його стрибучість і м’яч добре виправдовує його очікування, тобто реалізує своє призначення. Яку роль відіграє оболонка м’яча і знаходиться всередині повітря? А якщо м’яч зробити монолітним, з якісного каучуку, до того ж напівпрозорого і яскравого – стане він від цього гірше? Швидше за все, немає, адже діти з задоволенням грають і з такими м’ячами.

Навіщо потрібен перетворювач енергії (трансмісія) у складі мінімальної ТЗ? Спробуємо знайти відповідь, для чого розглянемо простий приклад. Нагріту металеву пластину наведемо в зіткнення з такою ж, але холодною. Холодна пластина стане нагріватися, а гаряча – охолоджуватися. Холодна пластина – виріб, гаряча пластина – джерело енергії та інструмент, але про який перетворенні може йти мова? Саме час згадати формулу А. Ейнштейна E=mc2. Відповідно до цієї формули, маса охолодженої пластини виявляється менше, ніж нагрітої, тобто при теплообміні відбувається перетворення маси в енергію (охолодження) і навпаки, енергії в масу (нагрівання). Таким чином, джерело енергії реалізує процес перетворення частини своєї маси в енергію. Це і є єдино необхідне перетворення, але відбувається воно всередині джерела енергії, а не в якомусь перетворювачі. Зізнатися, висновок несподіваний!

Уявімо тепер якийсь «чорний ящик», здатний видавати фіксована кількість енергії і задамося питанням: «Чи потрібен перетворювач, якщо робочий орган може отримати від джерела рівно стільки енергії, скільки йому необхідно і такою, яка йому необхідна? »Ні, можливі випадки, коли перетворень не буде потрібно. Якщо розв’язувача не влаштовують параметри джерела енергії, то він, дійсно, буде змушений постачити ТЗ перетворювачем. Але висновок зі сказаного – перетворювач енергії не є обов’язковою частиною ТЗ.

Можна розсудити, що джерело енергії і робочий орган рознесені в просторі, тому може знадобитися трансмісія. Чому неприпустимий прямий контакт між джерелом енергії і робочим органом? Треба визнати, що і трансмісія не є обов’язковою частиною ТЗ. Наприклад, кислота роз’їдає метал – навіщо тут потрібна трансмісія? Виходить, що мінімальна ТЗ може складатися тільки з джерела енергії та робочого органу, а управління може бути зведене до забезпечення контакту робочого органу з виробом. Немає також фізичних заборон і на об’єднання робочого органу з джерелом енергії. МС можуть бути влаштовані самим різним чином, але необхідний мінімум компонентів все ж необхідно виявити. Для початку доведеться дати уточнене визначення ТЗ:

ТС – структура, здатна при відповідному стані Середовища, взаємодії з виробом і наскрізному проході енергії реалізувати зміна (або навмисне збереження) хоча б одного параметра виробу. Ця зміна (збереження) є корисним процесом, заради виконання якого існує ТЗ.

Тепер під визначення ТЗ підпадають випадки використання (список не претендує на повноту):

  • хімічних реакцій;
  • постійного магніту;
  • біметалічної пластини;
  • теплообміну;
  • «Розумних» речовин;
  • тепла, що виділяється при радіоактивному розпаді та інших фізеффектов.

В одному випадку достатньо тільки робочого органу та вироби, в іншому – речовини (робочого органу), що володіє енергією, і іншої речовини, у третьому – класичного набору, що включає джерело енергії, трансмісію, робочий орган і систему управління. Де ж мінімум?

Якщо вже ми називаємо системою якийсь набір елементів (зв’язків), то цей набір повинен «уміти» реалізувати корисний процес, але в відсутність вироби ТС цього робити не може. Ось через цю неточність вся плутанина – що можна назвати системою, а що не можна – зрозуміти неможливо. Таке положення нескладно виправити – досить називати ТЗ без вироби модулем-процесором (М-процесором). Відразу зникають неясності – М-процесор не реалізує корисний процес, а ТЗ здатна на це. М-процесор – «мертва» структура, а ТС – «жива». Як бачимо, відмінність істотна. Цей крок може призвести до інших цікавих наслідків, але не будемо забігати вперед. Визначившись з М-процесором, можна уточнити склад і принцип роботи мінімальної ТЗ.

      Системоутворюючими елементами є тільки робочий орган, потік енергії і середу (у певному стані).

Ось це і є мінімальна ТЗ. Робочий орган і середу (у ролі вироби) утворюють двонаправлений енергетичний канал (ЕК), реальність якого можна довести з цифрами (чи то пак, з конкретними параметрами) в руках. Взаємодія ЕК з потоком енергії «оживляє» М-процесор, ініціюючи ряд процесів. Трохи нижче ми розглянемо – яких? Двоспрямованістю ЕК обумовлена ​​можливість інвертування ТЗ, коли виріб служить інструментом, а інструмент – виробом. Інвертування іноді дозволяє підвищити к.к.д. практично «без нічого», тобто це перше з можливих напрямків розвитку МС. Енергію може постачати як спеціальний джерело, так і середу, її може містити як виріб, так і інструмент – в будь-якому випадку ЕК знаходить инициирующую здатність. Винахідницьке поле – переносник енергії, посередник, присутність якого доводиться терпіти. Як відомо, в окремих випадках роль Середовища може виконувати Надсістема.

Для створення МС, здатної реалізувати корисний процес, досить одного матеріального об’єкта, а Середовищем (виробом) може служити весь інший світ. Зрозуміло, що в природі найпростіші ТЗ можуть виникати самостійно, тому що будь-який матеріальний об’єкт спочатку є М-процесором. Важливо, щоб температура об’єкта і Середовища була вище абсолютного нуля, але навіть і в цьому випадку об’єкт, в силу відносності руху, ніколи не можна вважати нерухомим.

Здатність матерії породжувати процеси при взаємодії з Середою є фундаментальною.

Дитячий м’яч є М-процесором? Яку роль виконує Земля в системі «дитина – м’яч – Земля»? Для дитини Земля є Середовищем, точкою опори. Якщо кидати м’яч у невагомості, то через відсутності опори дитина і м’яч будуть розлітатися в різні сторони зі швидкостями, обернено пропорційними їх масам, але подальшу поведінку м’яча не зміниться.

М-процесор може складатися з одного тільки робочого органу. У ньому немає головного змісту систем – потоку енергії і ряду процесів, на реалізацію яких і витрачається енергія. У працюючій ТС одночасно протікають – ні багато, ні мало – три пари сполучених процесів:

1. Пара «корисний процес – шкідливий процес». Існування шкідливого процесу обумовлено розсіюванням енергії. Шкідливий процес не завжди один, їх може бути багато або дуже багато. Баланс цієї пари визначає к.к.д. системи. Напрямок розвитку ТЗ – Використання енергоекономічних процесів (прийоми – дроблення, перехід на мікрорівень, перехід по ряду МАТХЕМ і комбінування полів). Самое енергоекономне поле – гравітаційне, тому що його застосування не вимагає витрат.

Коли м’яч підстрибує (корисний процес), то не вся його кінетична енергія перетворюється на потенційну через внутрішнє тертя між частинками каучуку. В результаті каучук нагрівається – це шкідливий процес. Та й опір повітря вносить свою лепту в втрати, породжуючи ще один шкідливий процес.

2. Пара «процес генерації енергії – змінюється реакція Середовища». Процес генерації енергії протікає в джерелі енергії, а середу реагує (обов’язково повинна реагувати!) На надходження потоку енергії. Зрозуміло, реакція Середовища в кожному конкретному випадку різна, але вона визначає провідність ЕК, тобто породжує процес зміни провідності. Виконання корисного процесу без реакції Середовища неможливо, правда, буває складно визначити, який об’єкт в конкретній ситуації виконує роль Середовища. Баланс цієї пари процесів визначає провідність ЕК. Напрямок розвитку ТЗ – підвищення провідності ЕК за рахунок зміни його компонентів – аж до використання штучної Середовища.

Роль джерела енергії і, одночасно, роль інструмента грає САМ дитина, підкидали м’яч і що повідомляє йому порцію енергії. Повітря чинить опір польоту м’яча, а удари м’яча об землю народжують звук і нагрівання – як м’яча, так і землі. Дитина, випустивши з рук м’яч, відразу ж САМ стає елементом Середовища. М’яч точно так само може відскочити від нього, як від якогось стовпа або каменю.

3. Пара «Процес зміни провідності – керуючий процес». Процес зміни провідності породжується шкідливим впливом Середовища і знижує ймовірність виконання корисного процесу. Впливу Середовища не можна передбачити заздалегідь. Доводиться організовувати керуючий процес за рахунок введення зворотного зв’язку. Балансом цієї пари визначається стійкість системи до впливів Середовища. Керуючий вплив може бути спрямоване на будь-який з компонентів ЕК. Напрямок розвитку ТЗ – підвищення стійкості за рахунок введення зворотного зв’язку.

У результаті впливу вітру або нерівностей землі м’яч може змінювати траєкторію польоту, а дитина повинна враховувати ці фактори, тобто відповідно міняти напрямок кидка. Ось і виявлена ​​суть гри з м’ячем. Повітря, Земля, трава, асфальт, стовп, камінь – це середа. М’яч – виріб. Дитина одночасно грає роль джерела енергії, роль інструмента, який повідомляє м’ячу енергію, а також роль Оператора, керуючого напрямком і силою кидка, і, нарешті, Споживача, якого радує процес поступової втрати енергії м’ячем. Поки дитина спостерігає за цим процесом, він сам є елементом Середовища і М-процесором. Навіть такий простий (і непростий) приклад наочно показує можливості «процесного» аналізу. Заодно ми усвідомили, наскільки складна доля дитини, що грає з м’ячем! Якщо ж каучуковий м’яч одного разу потрапить у воду і потоне, то зрозуміємо, яку зробили помилку, відмовившись на самому початку від пустотілого м’ячі.

Такі напрямки розвитку, як інвертування системи, підвищення к.к.д., підвищення провідності ЕК і підвищення стійкості визначаються існуванням внутрішніх процесів в ТЗ. Немає підстав стверджувати, що підвищення енергетичної провідності є законом, тому що для реалізації корисного процесу може знадобитися зовсім протилежне. Наприклад, якщо виникне необхідність тимчасово знизити продуктивність ТЗ.

Процес характеризується рядом параметрів, які повинні підтримуватися або, навпаки, змінюватися за заданим законом. Принцип дії регулятора заснований на вимірах відхилень регульованого параметра від зразкового значення, яке може встановлюватися людиною в ході процесу управління або може бути задане (встановлено) заздалегідь. Значення параметрів визначаються за допомогою датчиків, з яких починається будь-яка лінія зворотного зв’язку. Лінія зворотного зв’язку включає в себе також джерело зразкового значення параметра, перетворювач сигналу і виконавчий пристрій. Перераховані вузли є звичайними технічними об’єктами, в яких можна відшукати (визначити) свої ТЗ.

Перетворювачі, принцип дії яких заснований на вимірах значення регульованого параметра, називаються параметричними регуляторами або, скорочено, П-регуляторами. Головний їхній недолік – реакція «де-факто», тобто коли зміна вже відбулася. На повернення параметра до початкового значення потрібен якийсь час, тому П-регулятор реагує із запізненням, тому що не здатен спрогнозувати значення параметра на наступний відрізок часу.

Більш досконалі регулятори, що реагують на значення похідної від значення параметра, тобто швидкість. Цей регулятор називається І-регулятором (інтегральний регулятор). І-регуляторам притаманний той-же недолік. Диференціальний регулятор (Д-регулятор) реагує на зміну другої похідної, тобто на прискорення зміни параметра. Найбільш досконалі регулятори представляють із себе комбінацію П-регулятора, І-регулятора і Д-регулятора. Це т.зв. ПІД-регулятори. Іноді використовують позначення «PID-регулятор».

Відмінність П-регулятора від ПІД-регулятора добре помітно при порівнянні поведінки за кермом водія-професіонала і водія-новачка. На початковому етапі навчання новачок погано вловлює зв’язок між своїми діями і поведінкою автомобіля, тому при догляді з прямою автомобіль встигає відхилитися від неї на велику відстань, перш ніж новачок відреагує. Поведінка новачка змінюється, коли він навчиться реагувати на величину, швидкість і прискорення догляду автомобіля від необхідної траєкторії.

Функції компонентів лінії зворотного зв’язку в ряді випадків можуть виконувати елементи, знову вводяться або вже наявні в ТЗ. Завдання на вимірювання ставляться до проблем управління і в «Стандартних рішеннях винахідницьких завдань »можна знайти безліч способів вирішення цих проблем, а також проблем поліпшення керованості.

За наявності лінії зворотного зв’язку нескладно організувати управління корисним процесом. Перетворювач сигналу доповнюється пристроєм, що дозволяє в широких межах змінювати рівень сигналу і тим самим – Параметри процесу. Необхідно розрізняти цілі введення зворотного зв’язку і управління. Негативний зворотний зв’язок вводиться для підвищення стійкості ТС до змін Середовища, а управління – для оперативного впливу на хід корисного процесу.

Іноді до МС використовується позитивний зворотний зв’язок, наприклад, для генерації сигналів або посилення слабких сигналів. Застосовується також «зворотний зв’язок вперед», при якій виконавчий пристрій має потужність, достатню для «підкачки» енергії на вихід ТЗ при перевантаженнях.

Мінімальна участь Оператора в роботі МС може полягати в ініціюванні та / або припинення ГПП, але і воно не є системоутворюючим умовою. Наприклад, біметалічна пластинка (або її монометалічний аналог, що має спеціальну форму) не містить джерела енергії і не потребує ініціюванні впливі. Це вплив в даному випадку надає енергія, що надходить з Середовища

Людина і САМ здатний грати роль досить складною ТЗ, ініціатора корисного процесу та лінії зворотного зв’язку, наділеної прогнозуючим пристроєм. Навіть наявність інструменту (робочого органу) НЕ завжди обов’язково, тому руки (або інші частини тіла) самі по собі є досить досконалими інструментами. Взагалі кажучи, використання в ТРИЗ терміну «Людина» часто є джерелом різних непорозумінь. Психологи давно вирішили цю проблему, дотримуючись рольової термінології щодо людини. Справа в тому, що кожну мить свого життя людина грає якусь роль – пасажира, водія, Вирішувача, Оператора, керівника, викладача і т.п. Причому грає з усією серйозністю! Так людини і треба сприймати – по виконуваної ролі.

Мінімально необхідне для ініціювання системи кількість інформації складає 1 біт, але його не можна відрізнити від випадкової дії Середовища. У техніці це явище відоме, як помилкове спрацьовування, тому відносно деяких процесів застосовується ускладнення процедури ініціювання. Слід зазначити, що ускладнення процедури тільки знижує ймовірність помилкових спрацьовувань, ніколи не зводячи її до нулю. Можливість використання енергії як ініціюючого впливу дає можливість вибудовувати ланцюжка взаємозалежних процесів. Приклад такого ланцюжка: палець – спусковий гачок – курок – Бойок – капсуль – порох – куля – стовбур – мішень. У ланцюжку перераховані не самі процеси, а їх носії. Читачеві надається можливість самому перерахувати ці процеси.

Вирішувач позбавлений можливості керувати процесами безпосередньо, але здатний впливати на них за допомогою створення відповідних структур. Ось тут і виникає конфлікт між бажаним і дійсним. Створюючи або удосконалюючи структуру М-процесора, Вирішувач має приблизне уявлення про поведінку Середовища і набагато більш слабке – про дерево процесів, яке аж ніяк не закінчується на «фізеффектах». А «фізеффекти» теж реагують на стан Середовища і впливають на стан ЕК. Маючи настільки приблизні уявлення про предмет вдосконалення, нескладно помилитися в очікуваннях, тому нововведення завжди повинні проходити випробування.

Щоб виявити інші можливі напрямки розвитку ТЗ, необхідно уточнити, які характеристики є для процесів найбільш загальними. Перше, що треба відзначити – процес протікає в часі і в просторі. У часі він характеризується моментами початку і завершення, отже, тут можна говорити про його швидкості. У просторі він характеризується обсягом, займаним носієм процесу. У цьому випадку ми можемо говорити про його інтенсивності.

Розвивати систему змушує і ряд зовнішніх причин:

1.       Потрібен поповнювати запас речовини – Речовина (робочий орган) може поповнюватися найрізноманітнішими способами. Наприклад, організацією потоку речовини або простою заміною.

2.       Потрібен поповнювати запас енергії – Ця лінія розвитку призводить до використання вбудованого джерела енергії (ІЕ). У цьому випадку має місце просторове розділення робочого органу (РО) і джерела енергії. Просторове розділення змушує вирішувати проблему передачі енергії від ІЕ до РВ, тобто вводити трансмісію.

3.       Потрібно збільшити швидкість процесу – Увеліченіескорості корисного процесу може проводитися за рахунок використання додаткових перетворень енергії.

4.       Потрібно збільшити інтенсивність процесу – Розвиток ТЗ по лінії «моно – бі – … – полі».

Отже, виявлено 8 основних причин, що спонукають до розвитку МС. З них 4 є внутрішніми і 4 – зовнішніми. Додатково виявлено, що трансмісія й перетворювач енергії з’являються в МС за абсолютно різних причин. Це теж несподіваний висновок.

      Виріб, джерело енергії, перетворювач енергії, трансмісія, система управління і система пуску / зупинки не є системоутворюючими.

Головна властивість фрактальних структур – економність. Мінімум речовини, мінімум енергії. Розвиток їх визначається обмеженнями, що випливають з особливостей Середовища і реалізованого процесу. Суперпозиція фракталів є оптимальною формою співіснування технічного об’єкта з Середою. Економність – головна вимога до системи, а не горезвісна «ідеальність». Є й інші важливі вимоги (і в той же час – напрямки розвитку) – пристосованість до людини і Середі, лаконічність, виразність, що відображає специфіку роботи. Естетика не оперує цифрами, але красу і функціональність Споживач здатний оцінити не гірше іншого експерта. Іноді метою Споживача може бути саме дорожнеча і ніхто йому не може цього заборонити. Є також вимоги, які взагалі не мають ніякого відношення до споживчих якостям – наприклад, захист системи «від дурня».

Розвиток структури ТЗ поза перерахованих напрямків може йти за рахунок ускладнення фрактала, а природним обмежувачем тут є зниження надійності структури при зростанні числа її елементів. Подальший розвиток може йти за рахунок підвищення багатофункціональності, тобто динамізації елементів, зв’язків, структури, складу. Немає принципових заборон на комбінування напрямків розвитку.

Взаємодія ТЗ з Середою супроводжується розсіюванням енергії за допомогою різного роду полів (випромінювань) – поштовхів, вібрацій, акустичних коливань, прямий теплопередачі, інфрачервоних випромінювань, радіохвиль, жорстких випромінювань. Розсіювання зовсім не означає, що енергія розчиняється безслідно. Виконавши свою справу в технічному об’єкті, ця сутність дає початок новим процесам в Середі. Дане явище широко використовується для вирішення завдань на виявлення – прилади нічного бачення, гідроакустика, радіоелектронна розвідка (не плутати з підслуховуванням!).

Можливий (і іноді використовується) зворотний ефект, званий параметричним резонансом – ініціювання процесів на відстані за допомогою полів, мінливих за певним законом. Реакція Середовища на викид енергії найчастіше негативна, а для Споживача (і його оточення) це є розплата за підвищене споживання енергії.

Будь-яке опис страждає неповнотою, тому не можна вважати, що ситуація з дитиною і м’ячем вичерпана. Будучи випущеним з рук, м’яч опиняється наданим самому собі. З цього моменту і він, і Земля опиняються в абсолютно рівному становищі. Рух відносно, тому не можна стверджувати з усією однозначністю, що як рухається. Спостерігач, який обрав системою відліку м’яч, буде стверджувати, що у момент зіткнення із Землею м’яч був нерухомим, а Земля рухалася. Спостерігач, який обрав точкою відліку Землю, буде стверджувати зворотне. Та й з підрахунком кінетичних енергій почне творитися недобре. Навіть найпростіші бінарні відносини виявляються непростими.

Концепція М-процесора може надати новий зміст вепольний аналізу, якщо Веполь замінити тріадою «М-процесор – Виріб – середа». Всі три компоненти існують в реальності, отже, встоять проти будь-якої критики. До того ж, під М-процесором можна мати на увазі пристрій будь-якої складності – це обставина теж на користь даної пропозиції. За своєю суттю вепольний аналіз є алгоритмом усунення НЕ, а подібні алгоритми страждають неповнотою і, крім того, можуть створювати у розв’язувача ілюзію, ніби все можна розрахувати заздалегідь. Це відноситься і до комп’ютерних програм типу «Винаходяться Машини », тому не варто переоцінювати їх можливості. Ніщо не буває однозначним – тільки добрим чи тільки поганим!